可使電池壽命長達20年的微控制器節(jié)能設計

在設計電池供電產品時，人們顯然希望電池壽命應該盡可能長些。作為一個快速發(fā)展的設備種類，從單電池發(fā)展起來的應用不僅僅停留在規(guī)格上：而是以整個產品的概念為中心。能源敏感的產品應用大致分為能源計量系統(tǒng)、家庭與樓宇自動化、安全和醫(yī)療系統(tǒng)（圖1）。這些產品通常會圍繞一個微控制器（MCU），必須用單一的原電池運作很長時間。在某些應用中，要想更換電池是很難的甚至不可能的：在其它應用中，最終用戶不愿意支付更換電池的成本。

　　在這樣的應用中采用的是占空比非常低的很活躍的微處理器，在“深度睡眠”狀態(tài)下時間可能占了99％ - 甚至更高，達到99.9％也不罕見。微處理器在一個周期循環(huán)或在回應某些刺激時被“喚醒”，執(zhí)行操作，并返回到睡眠狀態(tài)中。由于它們花了這么多時間去睡覺，很明顯，獲得最長電池壽命的關鍵參數(shù)是在掉電狀態(tài)下的電流消耗。不過，同一節(jié)電池的使用壽命為三或四年與超過10年，延長至20年，甚至更長時間的區(qū)別在于要密切注意這個任務如何使用MCU資源的每個方面，以及MCU本身是如何設計以各種方式減少能源消耗的。

一節(jié)單電池用20年

　　CR2032紐扣電池廣泛用于小型MCU如遠程環(huán)境傳感器中，這是一種鋰/二氧化錳3V原電池。典型的供應商 - 例如，柯達（參考1） -評定230 mAh到2V的終點電壓能力為 5.6 k? (約有0.5 mA). 如果是那樣的話，電池壽命將為400小時，相比之下，能源敏感的應用能使使用壽命達到20萬小時。這種特殊的電池具有很好的貨架壽命或自放電率，數(shù)據(jù)表顯示10年之后其容量達90％。非常相似的是，這相當于連續(xù)充電約0.25 ?A, 如果能夠達到10-20年的電池壽命, 應用的一般要求就會滿足。

　　伴隨電池壽命的是數(shù)量有限的電荷，設計者必須在MCU運行的所有階段減少產品的電流和時間，不僅要減少每微安的數(shù)量，也要減少每個動作的每個微秒。

　　為了減少深度睡眠模式下消耗的電流，在能源敏感應用的MCU中采用8位（或16位）內核已很普遍。其理由是，8位內核—即使在最新版本中也常常采用這樣的設計 - -很小，門控相對較少，靜電或泄露電流低。但是，許多現(xiàn)在的應用都需要比8位內核更大的處理功率。在其它MCU應用領域，用戶往往選擇從一個8位升級到一個32位環(huán)境。在低功耗的情況下，人們一直假定32位內核在其掉電模式狀態(tài)時使用的電流一定是高得令人無法接受的。隨著全套低功耗設計技術的出現(xiàn)，今天的IC設計師們已經可能讓一個32位ARM內核提供不同的低功耗模式了，與其8位的競爭對手一樣好，甚至更好，而且還能實現(xiàn)快速喚醒時間。 32位處理器更高的處理性能也使MCU可以更快完成任務，從而能夠在這些低功耗模式中花更多時間來進一步降低平均功耗。

低功耗外圍設備功能

　　要優(yōu)化最低耗用功率的MCU睡眠狀態(tài)功耗需要整體的設計方法。除了內核，MCU里的其它模塊在待機設備、穩(wěn)壓器、偏置電流發(fā)生器，欠壓檢測比較儀、加電復位電路中會繼續(xù)吸引一些電流 。在幾乎所有情況下，簡單的交替換位都適用; 掉電狀態(tài)越深，就越多外圍設備的功能被完全切斷，芯片準備好實施處理任務的喚醒時間越長。由于應用的差別很大，MCU設計師提供一種靈活的斷電狀態(tài)下的擴展套件形式就顯得很重要了，這樣產品設計人員就可以很好地為他個人的項目進行待機功率和響應能力的交替換位。

　　設計實施ARM內核以實現(xiàn)在nanoamp區(qū)最深睡眠狀態(tài)的電流水平只是低能源戰(zhàn)略的一個步驟。能夠提供一個32位內核的處理能力為控制能源使用開辟了新途徑， 在任何時候，它是MCU供電圖下面的區(qū)域，隨著時間的推移，它表示從電池里取走的電荷（圖2）。就是這樣，在具體配置中電流消耗的大標題數(shù)字越多，設計人員就必須密切注意要最大限度地延長電池的使用壽命。在EFM32微控制器的開發(fā)工具包中，這種測量是很清楚的; 這個工具包的基本功能部分是其先進能源監(jiān)控器（圖3）。該設施在填充MCU內核的電流軌中不斷測量電流;一個從模擬到數(shù)字的轉換器（ADC）通過電阻器采集電壓，而開發(fā)工具包軟件集成其讀數(shù)來精確測量不同時間的功率。