優(yōu)化面向超低功耗設(shè)計的微控制器功效

圖3. 本圖所示為一個升壓轉(zhuǎn)換器在不同負載下的典型輸出電壓曲線。在輕載或空載時(綠色曲線)，測得的轉(zhuǎn)換時間(上升電壓)為數(shù)百微秒，而閑置時間(下降電壓)為數(shù)秒。要注意的是這種變化是發(fā)生在MCU處于省電模式或功耗極小時。在主要工作模式，即有源調(diào)節(jié)模式下，輸出電壓仍保持穩(wěn)定(3V +/- 100mV)(紅色曲線)。

此外，在輕載或空載時，調(diào)節(jié)模式下的轉(zhuǎn)換器將周期性達到它的占空比低限。通過自動切換到低電流模式，轉(zhuǎn)換器便停止轉(zhuǎn)換，耗電量被降至最小，但同時仍然保持有源狀態(tài)(見圖3)。當MCU處于斷電或功耗極小時，輸出電壓便會出現(xiàn)這種變化。而在主要工作模式，即有源調(diào)節(jié)模式(Active Regulated Mode)下，輸出電壓仍保持穩(wěn)定(3V +/- 100mV)。另外需注意的是，典型轉(zhuǎn)換電壓會隨電池能量的消耗而變化(見圖4)。調(diào)節(jié)器是一個獨立的子系統(tǒng)，無需MCU的主動管理。不過，對于那些需要更直接地控制升壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計人員而言，某些特性可利用軟件來加以控制。

由于實際效率取決于應(yīng)用，故集成所有與功率調(diào)節(jié)相關(guān)的無源器件毫無意義。例如，成本是某些市場的主導(dǎo)因素，而在另一些市場，最重要的推動力卻可能是使用壽命。與其被迫采用針對其它市場而優(yōu)化的無源器件，或所有應(yīng)用都還算滿意但非最佳的產(chǎn)品，開發(fā)人員還不如選擇能夠給自己的應(yīng)用提供最佳平衡的的無源元件。而這只需區(qū)區(qū)幾個元件就可以做到(即一個電感、兩個旁路電容和一個肖特基二極管)。

智能電池管理

準確估算剩余能量，是最大化電視電量使用率的重要因素。譬如，充電電池需要在設(shè)置范圍內(nèi)進行嚴密監(jiān)控和充電控制，以確保電池的安全使用，并獲得盡可能長的使用壽命。剩余電荷的估算越準確，電池就越能夠接近極限容量來安全充放電，而不必擔心因充放電過度對電池造成損害。

雖然更精密的電池充放電控制意味著電池有更多可用能量，從而使用時間更長，但這種控制方式缺乏靈活性，而且可能嚴重限制處理器能夠支持的電池技術(shù)。例如，不同化學(xué)性質(zhì)的電池具有不同的安全充放電電壓閾值，如果MCU有固定閾值或在閾值配置方式上有所限制，那么其就會成為MCU有效管理的電池技術(shù)方面的障礙。因此，開發(fā)人員可能會被迫根據(jù)所選用的MCU來使用特定電池，而不是選擇最適合的電池技術(shù)。

對于必須替換電池的應(yīng)用，支持充電電池的靈活性至關(guān)重要。充電電池的閾值相比一次性電池大為不同，如果消耗過度，可能會損害其總體充電容量。由此造成的使用時間縮短，極可能被歸類為設(shè)備故障而不是電池故障。ATtiny43U的固件能夠利用內(nèi)建ADC來監(jiān)控電池電壓，并決定什么時候讓設(shè)備進入停機模式(Stop Mode)，從而徹底消耗一次性電池的電量，同時確保充電電池在多個充電周期上都能夠獲得最長的使用時間。

雖然自動關(guān)斷處理器可以保護充電電池，但是從應(yīng)用的角度來看，突然斷電可能是不可接受的。例如，突然關(guān)斷相機會致使鏡頭暴露在外，令鏡頭容易受損。因此，設(shè)計人員可以通過一個重要的功率管理元件來準確估算剩余的能量。比如，利用ATtiny43U的10位ADC每隔一定時間對電池電壓進行測量，就可以達到前述目的。采用這種方法，就有機會在設(shè)備關(guān)斷之前，讓各個器件進入安全配置。

在應(yīng)用級實現(xiàn)高功效

許多應(yīng)用都會加入一個MCU作為主機處理器的輔助處理器，用于卸載顯示器刷新、鍵盤監(jiān)控、小型電機工作以及智能電池管理等任務(wù)。采用輔助處理器的優(yōu)勢在于，MCU能夠以高于應(yīng)用處理器的功效來執(zhí)行這些功能。譬如，一個監(jiān)控鍵盤的應(yīng)用處理器必須被頻繁喚醒來執(zhí)行任務(wù)。而因為MCU在工作模式下的功耗小于應(yīng)用處理器，所以采用MCU來監(jiān)控鍵盤及更新顯示器便可以使應(yīng)用處理器更長時間地連續(xù)處于睡眠狀態(tài)，從而節(jié)省可觀的能量。

當然，處理效率也對功效有重大影響，因為MCU每個周期能執(zhí)行的工作越多，它進入睡眠模式的速度也就越快。而提高時鐘頻率會增加功耗，故效率更高的MCU架構(gòu)能夠支持在單個周期內(nèi)一個動態(tài)工作頻率和執(zhí)行指令，并執(zhí)行外設(shè)自動化管理。

超低功耗MCU還需要多種睡眠模式。例如，一個傳感器應(yīng)用可以監(jiān)控溫度，直到它超過閾值。如果在監(jiān)控期間整個MCU處于工作模式的話，所消耗的能量會比實際需要的更多。支持不同的睡眠模式，允許開發(fā)人員關(guān)斷設(shè)備的不同部分，實現(xiàn)更佳的節(jié)能效果(見表1)。

表1. 超低功耗MCU具有多種睡眠模式，因此在僅需有限功能而無需整個MCU以大功率工作模式工作的時候，開發(fā)人員可在不同的低功耗閑置模式下配置一個超低功耗MCU。

ATtiny43U架構(gòu)中有數(shù)種架構(gòu)創(chuàng)新技術(shù)，可供開發(fā)人員用于提高工作模式和睡眠模式下的功效：

精確的電源電壓：雖然MCU可以接受單電壓電源，但在架構(gòu)上它可能有多個不同的內(nèi)部電壓。這樣的設(shè)計方法帶來了低功效，因為動態(tài)功率高于預(yù)期。若所有模擬外設(shè)、閃存、EEPROM及RAM都工作在同一個電壓下時，設(shè)備的總體功耗便會降低。

泄漏電流最小化：溫度、電源電壓和工藝技術(shù)都會影響泄漏電流。超低功耗MCU不是對現(xiàn)有架構(gòu)進行修改，使其能夠在更低電壓之下工作，而是必須以功效為理念從頭開始設(shè)計，而愛特梅爾的picoPower AVR微控制器系列就是一個示例。