我們已經進入了這樣一個時代，即開始期望和要求電池供電設備實現更多的功能。我的臺PDA的電池僅工作了，而且如果還啟動了時間提示功能，那么電池能量將會很快耗盡。今天，在相同的條件下，我的PDA能夠工作一周。這兩款PDA用的都是相同容量的鋰離子電池，那么是什么使情況發生了改變呢？答案很簡單，電路硬件在改進，電源管理技術在提高。相比之下，電池技術的進步反而是次要的。

 

　　PDA是系統復雜性迅速增加的一個好例子，正如它們的命運顯示的那樣，盡管電池性能幾乎沒有什么進步，但對這類電池供應用的要求卻在不斷增加。而要成功應對這一功能不斷增加的挑戰，固件或軟件工程師必須完全理解目前市場上的商業MCU處理內核開發工具，同時硬件設計師理解今天市場上商用解決方案的效率。

 

　　模擬和數字部分要協同努力

 

　　如果你能夠很好地理解MCU的硬件配置和手頭上的開發工具，那么你就能夠降低功耗，從而能夠再添加一些應用功能。降低功耗的一個方向是控制嵌入式應用的電源電壓幅度。你可能需要在程序執行過程中的某些點上與真實模擬世界進行交互，如果的確有這個需要，你的設計中必須包含模擬電路。對模擬電源電壓的要求要高于對數字電源電壓的要求。要記住，模擬噪聲容限比數字的小得多，而且模擬噪聲水平不隨工作電壓的降低而減小。

 

　　例如，在5V工作電壓狀態，12位AD轉換器能進行優異可靠的轉換。同樣的12位AD轉換器，在2V工作電壓狀態下，不受噪聲影響位數的輸出會變少。這是因為，LSB(有效位)的位數變小了，而噪聲大小不變。這個問題的解決方案是，當僅進行模擬操作時，采用更高的電源電壓；而當僅進行數字操作時，切換為更低的電源電壓。

 

　　圖1展示了一個簡單的、基于MCU的電池供電系統，是圍繞Microchip的PIC18F1320閃存MCU而設計的。PIC18F1320具有多種空閑模式以及雙時鐘啟動功能等特性，對低功耗設計很有幫助。

 

　　在硬件方面，為了追求更低功耗表現，MCU的外部外設和內部外設都在不斷發展。MCU的外部外設可通過降低芯片工作電壓及優化電路設計來降低功耗。圖1所示的簡單例子，就整合了低功耗運放、AD轉換器以及可調穩壓電荷泵。

 

　　圖1中，MCP6041型運放采用CMOS工藝制造，這種運放可以將工作電壓降的很低。MCP6041運放由Microchip制造，帶寬為14 kHz，電流為600 nA，供電電壓在1.4V至5.5V之間。降低的工作電壓與降低的靜態電流結合，為電池供電設備的電源管理提供了良好的解決方案。

 

　　集成了內部或外部AD轉換器的MCU，轉換器的拓撲結構比IC設計創新對MCU功耗的影響更大。例如，同Δ-∑AD轉換器相比，SAR(逐次逼近寄存器)A/D轉換器的轉換時間和消耗電流之比就低得多。在電池供電應用中往往采用SAR模式的A/D轉換器，除非是需要分辨率和精度更高的應用。

 

　　圖1的電源是可調的。5V電壓用于模擬處理相得益彰，2V電壓用在數字電路恰倒好處。圖1的可調節電源轉換器在低輸出電流、鋰離子電池供電(4.2V到2.8 V)情況下，具有很高的效率。基于這些原因，該設計采用了一款穩壓可調的電荷泵式DC/DC轉換器(型號為MCP1252-ADJ)。

 

　　對不同的操作控制采用不同的工作電壓僅是低功耗設計工作的一半。如時刻將低功耗銘記于心，就會希望在維持MCU某些部分工作的同時，關斷其它部分。例如，你可以獨立運行MCU中的A/D、D/A轉換器或USART通信接口，這些部分僅需局部供電就可以正常工作。

 

　　對外接設備的能耗優化同樣重要。此外，將MCU內、外部的外設與MCU的編程能力結合考慮，會切實降低系統功耗。例如，在MCP1252-ADJ中，可以把一個新的電路切換到電阻反饋系統中，這樣MCU就能夠控制電壓。為了確保模擬電路的工作條件，需要電荷泵輸出高電壓。而MCU的數字電路部分在較低的電壓下就能工作。如，PIC18F1320的輸出電壓為2V至5.5V。通過直接對比電荷泵的兩種輸出電壓就可計算節省的功率。如果把MCU外部外設的供電切斷，加在I/O端口上的供電電壓又比較低，這樣就可以進一步降低功耗。

 

　　控制時鐘

 

　　當設計師試圖降低嵌入式系統電路的整體功耗時，常常忽略的一個問題就是：在MCU脫離睡眠模式時，如何對時鐘進行管理。

 

 

 

　　如圖2所示，一個MCU可以有多個時鐘源，明顯的是一個外部時鐘源。在此例中，可以將晶振、陶瓷諧振器、內部控制器時鐘或一個時鐘發生器連接到適當的器件管腳。除了這些生成時鐘信號的部件外，MCU可整合前后分頻FLL(鎖頻環)。前后分頻器對輸入時鐘進行分頻，FLL還可以倍頻輸入時鐘頻率。

 

　　在RTOS(實時操作系統)中，當系統短時喚醒后又進入長時間的睡眠狀態，配備時鐘管理機制就顯得至關重要。如在喚醒時間小于1秒的系統中采用晶振或壓電陶瓷諧振器，從睡眠模式喚醒到開始執行指令之間會有一段延時。MCU在此延時和啟動期間不會執行指令，而應用電路仍會消耗功率。

 

　　例如，圖3顯示了4 MHz晶振的典型啟動時間。在圖3中顯示該時間大約為450毫秒。假設該晶振是MCU連接的時鐘源，分配的程序執行時間是1秒，那么，實際的程序執行時間將比預計的長45%。在時鐘啟動期間，電路在消耗電能，但又不執行代碼。

 

　　在此類應用中，選用內時鐘來執行程序更為明智。內時鐘幾乎與電源同時啟動，對4MHz的內時鐘而言，幾微秒的啟動時間是很正常的。圖4顯示了內時鐘的啟動時間。

 

　　與圖3所示的4MHz晶振相比，圖4所示的內時鐘啟動速度約有5萬倍的提高。從這個數據人們或許可以得出結論，針對此類應用，內時鐘是恰當的選擇。其實，內時鐘的功耗與晶振功耗大體相當，只要不要求MCU運行諸如USART通信或定時一個脈沖這類對時間有苛刻要求的操作，選用外時鐘源也是可行的。

 

　　可進行評測的第3個時鐘是壓電陶瓷諧振器。圖5顯示了諧振器的啟動時間。

 

　　有一個可供使用的時鐘系統優于上述三種時鐘源的任一種，的做法是迅速確定電路是否需要時鐘。如果MCU需要時鐘，則啟動外接晶振或陶振；若非如此，則關斷。MCU從睡眠模式喚醒后，要迅速做出決定。如能將內時鐘與外接晶振或陶振結合在一起，就能迅速做出這樣的決定。用兩個時鐘源替代單一時鐘源，能夠顯著降低功耗。

 

　　該技術被稱為“雙時鐘啟動策略”，也就是說在硬件/固件配置中，MCU使用了2個時鐘。在睡眠模式，2個時鐘全部關斷。喚醒時，內時鐘啟動并迅速判定是否需要晶振。如需要晶振，內時鐘仍將持續執行程序直至晶振啟動。此時，MCU將時鐘源切換為晶振，并關斷內時鐘。

 

　　從數字角度處理睡眠模式

 

　　低功率設計成功的關鍵在于有一個具有多種睡眠模式和時鐘模式的MCU。用戶可以通過使MCU進入休眠或空閑模式來降低系統功耗。在空閑模式，MCU關斷CPU，但允許10位A/D轉換器這樣的功能繼續工作，而睡眠模式則徹底關斷MCU。

 

　　當MCU時鐘進行狀態切換時，MCU內的不同邏輯門都會吸取電流。檢查MCU耗電時，應首先檢查時鐘的功耗。通過對系統各種時鐘源進行比對，可以發現，與同頻率的晶振、振蕩器或陶振相比，內部振蕩器功耗。

 

　　某些MCU有3種基本的工作模式。種是完全工作模式，所有模塊都上電工作。第二種是空閑或等待模式，MCU外設工作，而MCU不工作。第三種，同時對低功耗的電池供電來說也是重要的一種，就是睡眠或停止模式。睡眠模式下設備完全停止功耗。睡眠模式通常關斷系統時鐘，如果也一同切斷外部時鐘源，系統功耗會進一步降低。

 

　　以下是完善低功耗設計的一些建議。將不用的I/O管腳拉高或拉低；只要可能，盡量采用內振蕩器，它們是低功耗的選擇；切斷所有不用的外設，例如PWM(脈寬調制器)、ADC、USART等；在程序中盡量用查詢表代替CPU運算；檢查所有外圍器件的功耗，例如，計算電路全部外圍電阻的壓降；降低驅動串行EEPROM或外圍模擬器件等外設的I/O管腳驅動電平。點亮的LED功耗可能出乎你的意料，一只小小的LED能使你的低功耗設計努力前功盡棄。總之，一定要注意電流消耗。

 

　　本文小結

 

　　低功耗設計對電池供電的應用來說至關重要。MCU的可編程性能對降低功耗大有裨益，通過調節電荷泵穩壓源的輸出電壓可做到這點。其次關斷不使用的非關鍵外設。還有就是對時鐘系統進行控制，以得到的性能/功耗比。集成電路制造商在不斷降低器件靜態電流和供電電源的同時，一直在努力改進這些外設器件的動態性能。而MCU制造商則通過為MCU增加諸如空閑和睡眠等模式來降低長時間工作時的平均功耗。將低功耗外設與MCU的各種降耗模式結合在一起，將為低功耗的電池供電設備提供更多的選擇。