單電池微控制器工作的優(yōu)點(diǎn)分析
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目前市場上低電壓、低耗電的微控制器(MCU)至少需要1.8V的工作電壓，因此也至少需要兩顆串聯(lián)的堿性電池來工作。然而，現(xiàn)在Silicon Labs推出全新的微控制器系列僅需提供0.9V工作電壓，一顆堿性電池即可實(shí)現(xiàn)。
為了采用單電池工作，你可以在空間大小一樣的情況下，用一顆較大的電池取代兩顆較小的電池，同時(shí)增加產(chǎn)品的電池壽命。另一個(gè)作法則是不采用串聯(lián)，而以并聯(lián)方式連接現(xiàn)有的兩顆電池，如此也能有效延長產(chǎn)品的電池壽命。但并聯(lián)的電池連結(jié)方式需搭配特定機(jī)制以防止這兩顆電池逆向連結(jié)，除此之外這不失為是一種將電池壽命最大化的好方法。
另一個(gè)可能性則是拿掉一個(gè)電池，如此能讓產(chǎn)品更小且更便宜。也許你會(huì)認(rèn)為拿掉一個(gè)電池會(huì)讓產(chǎn)品電池壽命減半，但了解了下面的說明，您就會(huì)明白未必如此。
單電池工作
為了采用單電池工作，你可以在空間大小一樣的情況下，用一顆較大的電池取代兩顆較小的電池，同時(shí)增加產(chǎn)品的電池壽命。另一個(gè)作法則是不采用串聯(lián)，而以并聯(lián)方式連接現(xiàn)有的兩顆電池，如此也能有效延長產(chǎn)品的電池壽命。但并聯(lián)的電池連結(jié)方式需搭配特定機(jī)制以防止這兩顆電池逆向連結(jié)，除此之外這不失為是一種將電池壽命最大化的好方法。
另一個(gè)可能性則是拿掉一個(gè)電池，如此能讓產(chǎn)品更小且更便宜。也許你會(huì)認(rèn)為拿掉一個(gè)電池會(huì)讓產(chǎn)品電池壽命減半，但了解了下面的說明，您就會(huì)明白未必如此。
單電池工作
以單電池工作來說，除了要提供0.9V的電壓給微控制器之外，有些元器件必須要提供1.8V以上的電壓才能正常工作，為了解決此問題，必須另外增加DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器。然而，就電池供電的嵌入式系統(tǒng)而言，該獨(dú)立的方法有若干限制。為求將電力消耗降至最低，在不需要的時(shí)候，DC-DC轉(zhuǎn)換器最好能停止工作。然而，若關(guān)掉DC-DC轉(zhuǎn)換器，則微控制器就失去了供應(yīng)電源，并且無法保持實(shí)時(shí)時(shí)鐘，或是在沒有額外輸入電壓的情況下便無法重新啟動(dòng)系統(tǒng)。更糟的是，當(dāng)DC-DC失去作用時(shí)，微控制器將失去整個(gè)RAM的內(nèi)容。然而，如果不停止DC-DC的工作，則即使微控制器是在睡眠模式，系統(tǒng)的待機(jī)電流仍會(huì)偏高，通常會(huì)超過20uA。
除此之外，還必須考慮DC-DC轉(zhuǎn)換器和微控制器的工作效率。大部分的獨(dú)立式DC-DC方案都被設(shè)計(jì)為傳送至少150mW(在大部分情況下會(huì)更多)給負(fù)載時(shí)的效率為最高，而在較小的負(fù)載時(shí)效率就會(huì)差許多。相對而言，一個(gè)典型的微控制器從供電端所汲取的電流會(huì)小于30mW，而這會(huì)造成DC-DC效率僅為50~70%。
所以，是否有其它更有效的解決方案？也許你可以試試將一個(gè)最佳化、低電源的DC-DC轉(zhuǎn)換器和微控制器集成到同一個(gè)芯片上。這能立即減少系統(tǒng)成本和電路板空間。如果你還能利用低至0.9V的低輸入電壓維持RAM內(nèi)容并操作實(shí)時(shí)時(shí)鐘，則該微控制器還能控制它自有的供電系統(tǒng)。若你還針對標(biāo)準(zhǔn)型MCU的外圍和功能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，如待機(jī)模式、睡眠喚醒及快速代碼執(zhí)行等，以達(dá)到最低的漏電損失和功耗，則該裝置便能支持單電池工作，同時(shí)還能擁有與雙電池工作相當(dāng)?shù)碾姵貕勖?br />
集成式解決方案的優(yōu)點(diǎn)
除此之外，還必須考慮DC-DC轉(zhuǎn)換器和微控制器的工作效率。大部分的獨(dú)立式DC-DC方案都被設(shè)計(jì)為傳送至少150mW(在大部分情況下會(huì)更多)給負(fù)載時(shí)的效率為最高，而在較小的負(fù)載時(shí)效率就會(huì)差許多。相對而言，一個(gè)典型的微控制器從供電端所汲取的電流會(huì)小于30mW，而這會(huì)造成DC-DC效率僅為50~70%。
所以，是否有其它更有效的解決方案？也許你可以試試將一個(gè)最佳化、低電源的DC-DC轉(zhuǎn)換器和微控制器集成到同一個(gè)芯片上。這能立即減少系統(tǒng)成本和電路板空間。如果你還能利用低至0.9V的低輸入電壓維持RAM內(nèi)容并操作實(shí)時(shí)時(shí)鐘，則該微控制器還能控制它自有的供電系統(tǒng)。若你還針對標(biāo)準(zhǔn)型MCU的外圍和功能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，如待機(jī)模式、睡眠喚醒及快速代碼執(zhí)行等，以達(dá)到最低的漏電損失和功耗，則該裝置便能支持單電池工作，同時(shí)還能擁有與雙電池工作相當(dāng)?shù)碾姵貕勖?br />
集成式解決方案的優(yōu)點(diǎn)
Silicon Labs新近推出的C8051F9xx微控制器系列所采用了集成式解決方案。該方案將高度優(yōu)化的增壓DC-DC轉(zhuǎn)換器集成至微控制器中，其能將0.9～1.5V之間的電池電壓增至1.8～3.3V之間的可編程輸出電壓。升壓后的電壓會(huì)被用于微控制器的I/O管腳及外圍。如圖1所示，通過使用一個(gè)優(yōu)化的65mW DC-DC轉(zhuǎn)換器，此轉(zhuǎn)換器依然可保持80%至90%的高效率。
不僅如此，由于DC-DC轉(zhuǎn)換器能供應(yīng)65mW的完整輸出，因此升壓后的輸出電壓也能被用來提供外部元器件所需的電壓。這樣，將能避免與接口連接相關(guān)的潛在問題。如連接至其它較高電壓IC或傳感器、驅(qū)動(dòng)3V電壓LED，或提供足以驅(qū)動(dòng)LCD或OLED顯示器的電壓。
為進(jìn)一步改善系統(tǒng)效率，此新產(chǎn)品系列的微控制核心和數(shù)字外圍皆是以內(nèi)部統(tǒng)一的1.7V電壓工作，在25MIPS的速度時(shí)僅消耗170uA/MHz。圖2為此全新微控制器系列的電源架構(gòu)簡單示意圖。
為進(jìn)一步改善系統(tǒng)效率，此新產(chǎn)品系列的微控制核心和數(shù)字外圍皆是以內(nèi)部統(tǒng)一的1.7V電壓工作，在25MIPS的速度時(shí)僅消耗170uA/MHz。圖2為此全新微控制器系列的電源架構(gòu)簡單示意圖。
圖2：C8051F9xx電源架構(gòu)
功能效率
當(dāng)然，不是提供高效率的集成式電源供應(yīng)系統(tǒng)就夠了，不同的工作模式和轉(zhuǎn)換次數(shù)，以及模擬、數(shù)字和通訊外圍都會(huì)影響系統(tǒng)的整體功耗。
低電源微控制器最需注意的技術(shù)規(guī)格就是待機(jī)和工作模式功耗的數(shù)據(jù)。如上所述，制造廠商通常會(huì)列出每兆赫茲多少毫安(mA/MHz)的數(shù)值來計(jì)算該設(shè)備所使用的各種時(shí)鐘速度。
關(guān)于這一點(diǎn)，當(dāng)我們關(guān)注有效功耗時(shí)，便會(huì)直覺的認(rèn)為就平均功耗而言，以高時(shí)鐘速率的MCU工作效率比低速率工作的MCU效率要高，這樣的看法通常都是正確的。當(dāng)CMOS處理器的工作性能是在速度較快的情況下工作時(shí)，效率通常較高，于是我們便能將更多的精力放在低功耗待機(jī)或是關(guān)機(jī)模式上。
基于相同的原因，一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良、快速的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)也能提供高效率的系統(tǒng)表現(xiàn)。然而，在特定系統(tǒng)中，需要較長存取時(shí)間的高輸入阻抗可能會(huì)限制了ADC的速度。此外，為求電池供電系統(tǒng)中的ADC結(jié)果一致，一般會(huì)采用分立式的參考電壓，有時(shí)則會(huì)集成至微控制器中。然而，若這樣能在幾個(gè)百萬分之一秒得到高速ADC，則必須花費(fèi)數(shù)毫秒等待參考電壓穩(wěn)定，而系統(tǒng)就會(huì)花費(fèi)多余時(shí)間在等待參考電壓的穩(wěn)定從而消耗電池的壽命。
Silicon Labs新元器件所使用的ADC和電壓參考模塊提供市場上最短的喚醒和處理時(shí)間。其高速內(nèi)部電壓參考可在1.7us內(nèi)取得穩(wěn)定，也就是在微控制器被喚醒后就準(zhǔn)備好了，這讓300 ksps 10位ADC能立刻開始轉(zhuǎn)換。
通常，在混合信號(hào)微控制器中，相對簡單的比較器以中斷驅(qū)動(dòng)，這能喚醒設(shè)備，并能某種程度地獨(dú)立于處理器核心之外工作。然而，通過增加ADC模塊一些“獨(dú)立”工作的機(jī)會(huì)，則可以實(shí)現(xiàn)更佳的電源效率。
最新推出的Silicon Labs ADC模塊可支持兩種模式，一種是連續(xù)采樣模式——執(zhí)行連續(xù)16次的轉(zhuǎn)換，并在沒有微控制器介入的情況下自動(dòng)累積結(jié)果；另一種為窗口比較器(window-comparator)模式——只有在結(jié)果落在特別數(shù)值的窗口時(shí)才會(huì)中斷微控制器，并能提供同步至DC-DC轉(zhuǎn)換器工作周期中最“安靜”部分的功能。
堿性電池并非唯一的電池選擇
低電源微控制器最需注意的技術(shù)規(guī)格就是待機(jī)和工作模式功耗的數(shù)據(jù)。如上所述，制造廠商通常會(huì)列出每兆赫茲多少毫安(mA/MHz)的數(shù)值來計(jì)算該設(shè)備所使用的各種時(shí)鐘速度。
關(guān)于這一點(diǎn)，當(dāng)我們關(guān)注有效功耗時(shí)，便會(huì)直覺的認(rèn)為就平均功耗而言，以高時(shí)鐘速率的MCU工作效率比低速率工作的MCU效率要高，這樣的看法通常都是正確的。當(dāng)CMOS處理器的工作性能是在速度較快的情況下工作時(shí)，效率通常較高，于是我們便能將更多的精力放在低功耗待機(jī)或是關(guān)機(jī)模式上。
基于相同的原因，一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良、快速的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)也能提供高效率的系統(tǒng)表現(xiàn)。然而，在特定系統(tǒng)中，需要較長存取時(shí)間的高輸入阻抗可能會(huì)限制了ADC的速度。此外，為求電池供電系統(tǒng)中的ADC結(jié)果一致，一般會(huì)采用分立式的參考電壓，有時(shí)則會(huì)集成至微控制器中。然而，若這樣能在幾個(gè)百萬分之一秒得到高速ADC，則必須花費(fèi)數(shù)毫秒等待參考電壓穩(wěn)定，而系統(tǒng)就會(huì)花費(fèi)多余時(shí)間在等待參考電壓的穩(wěn)定從而消耗電池的壽命。
Silicon Labs新元器件所使用的ADC和電壓參考模塊提供市場上最短的喚醒和處理時(shí)間。其高速內(nèi)部電壓參考可在1.7us內(nèi)取得穩(wěn)定，也就是在微控制器被喚醒后就準(zhǔn)備好了，這讓300 ksps 10位ADC能立刻開始轉(zhuǎn)換。
通常，在混合信號(hào)微控制器中，相對簡單的比較器以中斷驅(qū)動(dòng)，這能喚醒設(shè)備，并能某種程度地獨(dú)立于處理器核心之外工作。然而，通過增加ADC模塊一些“獨(dú)立”工作的機(jī)會(huì)，則可以實(shí)現(xiàn)更佳的電源效率。
最新推出的Silicon Labs ADC模塊可支持兩種模式，一種是連續(xù)采樣模式——執(zhí)行連續(xù)16次的轉(zhuǎn)換，并在沒有微控制器介入的情況下自動(dòng)累積結(jié)果；另一種為窗口比較器(window-comparator)模式——只有在結(jié)果落在特別數(shù)值的窗口時(shí)才會(huì)中斷微控制器，并能提供同步至DC-DC轉(zhuǎn)換器工作周期中最“安靜”部分的功能。
堿性電池并非唯一的電池選擇
針對這些微控制器中的DC-DC轉(zhuǎn)換器，多種單電池的化學(xué)性質(zhì)適合用來提供介于1.5和0.9V的電壓。這些電池包括所有AA和AAA型的電池——堿性(Alkaline)、鎳氫(NiMH)、鎳鎘(NiCd)和鋰(Lithium)電池為主要的種類，其它還有鋅-空氣(Zinc-Air)和氧化銀(Silver Oxide)紐扣電池。
就其它電池類型而言，有些電池輸出是較高的，例如“硬幣型”鋰電池，其電壓介于3.0和2.0V之間。此外，也許還有其它的理由必須用到較高的供應(yīng)電壓。通過將裝置的組態(tài)設(shè)定為“雙電池”模式，這樣的應(yīng)用仍能利用超低功耗及高效率的優(yōu)點(diǎn)。請?jiān)俅螀⒖紙D2，您會(huì)發(fā)現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換器可完全停止工作，讓微控制器能支持介于1.8和3.6V的輸入電壓。
評估系統(tǒng)電池壽命
就其它電池類型而言，有些電池輸出是較高的，例如“硬幣型”鋰電池，其電壓介于3.0和2.0V之間。此外，也許還有其它的理由必須用到較高的供應(yīng)電壓。通過將裝置的組態(tài)設(shè)定為“雙電池”模式，這樣的應(yīng)用仍能利用超低功耗及高效率的優(yōu)點(diǎn)。請?jiān)俅螀⒖紙D2，您會(huì)發(fā)現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換器可完全停止工作，讓微控制器能支持介于1.8和3.6V的輸入電壓。
評估系統(tǒng)電池壽命
為了讓設(shè)計(jì)者能快速評估新設(shè)計(jì)的電池壽命，設(shè)計(jì)者一般需要了解復(fù)雜的技術(shù)規(guī)格，Silicon Labs提供了一個(gè)簡單、可下載的PC軟件工具，即“電池壽命評估器”。
無論是任何系統(tǒng)或應(yīng)用，只要輸入設(shè)計(jì)人員所選擇的電池類型，以及“放電參數(shù)”，就是圖3所顯示的一些基本功耗參數(shù)，則此軟件會(huì)針對單、雙串聯(lián)，以及雙并聯(lián)電池組態(tài)的整體電池壽命進(jìn)行比較，評估自動(dòng)放電和存儲(chǔ)壽命。此軟件會(huì)輸出一個(gè)圖表，顯示電壓和時(shí)間的關(guān)系以及電池壽命的評估數(shù)據(jù)，如圖4所示。
無論是任何系統(tǒng)或應(yīng)用，只要輸入設(shè)計(jì)人員所選擇的電池類型，以及“放電參數(shù)”，就是圖3所顯示的一些基本功耗參數(shù)，則此軟件會(huì)針對單、雙串聯(lián)，以及雙并聯(lián)電池組態(tài)的整體電池壽命進(jìn)行比較，評估自動(dòng)放電和存儲(chǔ)壽命。此軟件會(huì)輸出一個(gè)圖表，顯示電壓和時(shí)間的關(guān)系以及電池壽命的評估數(shù)據(jù)，如圖4所示。
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