单电池微控制器工作的优点分析
时间：2012-03-27 20:38:25
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[导读] 目前市场上低电压、低耗电的微控制器(MCU)至少需要1.8V的工作电压，因此也至少需要两颗串联的碱性电池来工作。然而，现在Silicon Labs推出全新的微控制器系列仅需提供0.9V工作电压，一颗碱性电池即可实现。
为了
目前市场上低电压、低耗电的微控制器(MCU)至少需要1.8V的工作电压，因此也至少需要两颗串联的碱性电池来工作。然而，现在Silicon Labs推出全新的微控制器系列仅需提供0.9V工作电压，一颗碱性电池即可实现。
为了采用单电池工作，你可以在空间大小一样的情况下，用一颗较大的电池取代两颗较小的电池，同时增加产品的电池寿命。另一个作法则是不采用串联，而以并联方式连接现有的两颗电池，如此也能有效延长产品的电池寿命。但并联的电池连结方式需搭配特定机制以防止这两颗电池逆向连结，除此之外这不失为是一种将电池寿命最大化的好方法。
另一个可能性则是拿掉一个电池，如此能让产品更小且更便宜。也许你会认为拿掉一个电池会让产品电池寿命减半，但了解了下面的说明，您就会明白未必如此。
单电池工作
为了采用单电池工作，你可以在空间大小一样的情况下，用一颗较大的电池取代两颗较小的电池，同时增加产品的电池寿命。另一个作法则是不采用串联，而以并联方式连接现有的两颗电池，如此也能有效延长产品的电池寿命。但并联的电池连结方式需搭配特定机制以防止这两颗电池逆向连结，除此之外这不失为是一种将电池寿命最大化的好方法。
另一个可能性则是拿掉一个电池，如此能让产品更小且更便宜。也许你会认为拿掉一个电池会让产品电池寿命减半，但了解了下面的说明，您就会明白未必如此。
单电池工作
以单电池工作来说，除了要提供0.9V的电压给微控制器之外，有些元器件必须要提供1.8V以上的电压才能正常工作，为了解决此问题，必须另外增加DC-DC升压转换器。然而，就电池供电的嵌入式系统而言，该独立的方法有若干限制。为求将电力消耗降至最低，在不需要的时候，DC-DC转换器最好能停止工作。然而，若关掉DC-DC转换器，则微控制器就失去了供应电源，并且无法保持实时时钟，或是在没有额外输入电压的情况下便无法重新启动系统。更糟的是，当DC-DC失去作用时，微控制器将失去整个RAM的内容。然而，如果不停止DC-DC的工作，则即使微控制器是在睡眠模式，系统的待机电流仍会偏高，通常会超过20uA。
除此之外，还必须考虑DC-DC转换器和微控制器的工作效率。大部分的独立式DC-DC方案都被设计为传送至少150mW(在大部分情况下会更多)给负载时的效率为最高，而在较小的负载时效率就会差许多。相对而言，一个典型的微控制器从供电端所汲取的电流会小于30mW，而这会造成DC-DC效率仅为50~70%。
所以，是否有其它更有效的解决方案？也许你可以试试将一个最佳化、低电源的DC-DC转换器和微控制器集成到同一个芯片上。这能立即减少系统成本和电路板空间。如果你还能利用低至0.9V的低输入电压维持RAM内容并操作实时时钟，则该微控制器还能控制它自有的供电系统。若你还针对标准型MCU的外围和功能进行标准化，如待机模式、睡眠唤醒及快速代码执行等，以达到最低的漏电损失和功耗，则该装置便能支持单电池工作，同时还能拥有与双电池工作相当的电池寿命。
集成式解决方案的优点
除此之外，还必须考虑DC-DC转换器和微控制器的工作效率。大部分的独立式DC-DC方案都被设计为传送至少150mW(在大部分情况下会更多)给负载时的效率为最高，而在较小的负载时效率就会差许多。相对而言，一个典型的微控制器从供电端所汲取的电流会小于30mW，而这会造成DC-DC效率仅为50~70%。
所以，是否有其它更有效的解决方案？也许你可以试试将一个最佳化、低电源的DC-DC转换器和微控制器集成到同一个芯片上。这能立即减少系统成本和电路板空间。如果你还能利用低至0.9V的低输入电压维持RAM内容并操作实时时钟，则该微控制器还能控制它自有的供电系统。若你还针对标准型MCU的外围和功能进行标准化，如待机模式、睡眠唤醒及快速代码执行等，以达到最低的漏电损失和功耗，则该装置便能支持单电池工作，同时还能拥有与双电池工作相当的电池寿命。
集成式解决方案的优点
Silicon Labs新近推出的C8051F9xx微控制器系列所采用了集成式解决方案。该方案将高度优化的增压DC-DC转换器集成至微控制器中，其能将0.9～1.5V之间的电池电压增至1.8～3.3V之间的可编程输出电压。升压后的电压会被用于微控制器的I/O管脚及外围。如图1所示，通过使用一个优化的65mW DC-DC转换器，此转换器依然可保持80%至90%的高效率。
不仅如此，由于DC-DC转换器能供应65mW的完整输出，因此升压后的输出电压也能被用来提供外部元器件所需的电压。这样，将能避免与接口连接相关的潜在问题。如连接至其它较高电压IC或传感器、驱动3V电压LED，或提供足以驱动LCD或OLED显示器的电压。
为进一步改善系统效率，此新产品系列的微控制核心和数字外围皆是以内部统一的1.7V电压工作，在25MIPS的速度时仅消耗170uA/MHz。图2为此全新微控制器系列的电源架构简单示意图。
为进一步改善系统效率，此新产品系列的微控制核心和数字外围皆是以内部统一的1.7V电压工作，在25MIPS的速度时仅消耗170uA/MHz。图2为此全新微控制器系列的电源架构简单示意图。
图2：C8051F9xx电源架构
功能效率
当然，不是提供高效率的集成式电源供应系统就够了，不同的工作模式和转换次数，以及模拟、数字和通讯外围都会影响系统的整体功耗。
低电源微控制器最需注意的技术规格就是待机和工作模式功耗的数据。如上所述，制造厂商通常会列出每兆赫兹多少毫安(mA/MHz)的数值来计算该设备所使用的各种时钟速度。
关于这一点，当我们关注有效功耗时，便会直觉的认为就平均功耗而言，以高时钟速率的MCU工作效率比低速率工作的MCU效率要高，这样的看法通常都是正确的。当CMOS处理器的工作性能是在速度较快的情况下工作时，效率通常较高，于是我们便能将更多的精力放在低功耗待机或是关机模式上。
基于相同的原因，一个设计优良、快速的模拟/数字转换器(ADC)也能提供高效率的系统表现。然而，在特定系统中，需要较长存取时间的高输入阻抗可能会限制了ADC的速度。此外，为求电池供电系统中的ADC结果一致，一般会采用分立式的参考电压，有时则会集成至微控制器中。然而，若这样能在几个百万分之一秒得到高速ADC，则必须花费数毫秒等待参考电压稳定，而系统就会花费多余时间在等待参考电压的稳定从而消耗电池的寿命。
Silicon Labs新元器件所使用的ADC和电压参考模块提供市场上最短的唤醒和处理时间。其高速内部电压参考可在1.7us内取得稳定，也就是在微控制器被唤醒后就准备好了，这让300 ksps 10位ADC能立刻开始转换。
通常，在混合信号微控制器中，相对简单的比较器以中断驱动，这能唤醒设备，并能某种程度地独立于处理器核心之外工作。然而，通过增加ADC模块一些“独立”工作的机会，则可以实现更佳的电源效率。
最新推出的Silicon Labs ADC模块可支持两种模式，一种是连续采样模式——执行连续16次的转换，并在没有微控制器介入的情况下自动累积结果；另一种为窗口比较器(window-comparator)模式——只有在结果落在特别数值的窗口时才会中断微控制器，并能提供同步至DC-DC转换器工作周期中最“安静”部分的功能。
碱性电池并非唯一的电池选择
低电源微控制器最需注意的技术规格就是待机和工作模式功耗的数据。如上所述，制造厂商通常会列出每兆赫兹多少毫安(mA/MHz)的数值来计算该设备所使用的各种时钟速度。
关于这一点，当我们关注有效功耗时，便会直觉的认为就平均功耗而言，以高时钟速率的MCU工作效率比低速率工作的MCU效率要高，这样的看法通常都是正确的。当CMOS处理器的工作性能是在速度较快的情况下工作时，效率通常较高，于是我们便能将更多的精力放在低功耗待机或是关机模式上。
基于相同的原因，一个设计优良、快速的模拟/数字转换器(ADC)也能提供高效率的系统表现。然而，在特定系统中，需要较长存取时间的高输入阻抗可能会限制了ADC的速度。此外，为求电池供电系统中的ADC结果一致，一般会采用分立式的参考电压，有时则会集成至微控制器中。然而，若这样能在几个百万分之一秒得到高速ADC，则必须花费数毫秒等待参考电压稳定，而系统就会花费多余时间在等待参考电压的稳定从而消耗电池的寿命。
Silicon Labs新元器件所使用的ADC和电压参考模块提供市场上最短的唤醒和处理时间。其高速内部电压参考可在1.7us内取得稳定，也就是在微控制器被唤醒后就准备好了，这让300 ksps 10位ADC能立刻开始转换。
通常，在混合信号微控制器中，相对简单的比较器以中断驱动，这能唤醒设备，并能某种程度地独立于处理器核心之外工作。然而，通过增加ADC模块一些“独立”工作的机会，则可以实现更佳的电源效率。
最新推出的Silicon Labs ADC模块可支持两种模式，一种是连续采样模式——执行连续16次的转换，并在没有微控制器介入的情况下自动累积结果；另一种为窗口比较器(window-comparator)模式——只有在结果落在特别数值的窗口时才会中断微控制器，并能提供同步至DC-DC转换器工作周期中最“安静”部分的功能。
碱性电池并非唯一的电池选择
针对这些微控制器中的DC-DC转换器，多种单电池的化学性质适合用来提供介于1.5和0.9V的电压。这些电池包括所有AA和AAA型的电池——碱性(Alkaline)、镍氢(NiMH)、镍镉(NiCd)和锂(Lithium)电池为主要的种类，其它还有锌-空气(Zinc-Air)和氧化银(Silver Oxide)纽扣电池。
就其它电池类型而言，有些电池输出是较高的，例如“硬币型”锂电池，其电压介于3.0和2.0V之间。此外，也许还有其它的理由必须用到较高的供应电压。通过将装置的组态设定为“双电池”模式，这样的应用仍能利用超低功耗及高效率的优点。请再次参考图2，您会发现DC-DC转换器可完全停止工作，让微控制器能支持介于1.8和3.6V的输入电压。
评估系统电池寿命
就其它电池类型而言，有些电池输出是较高的，例如“硬币型”锂电池，其电压介于3.0和2.0V之间。此外，也许还有其它的理由必须用到较高的供应电压。通过将装置的组态设定为“双电池”模式，这样的应用仍能利用超低功耗及高效率的优点。请再次参考图2，您会发现DC-DC转换器可完全停止工作，让微控制器能支持介于1.8和3.6V的输入电压。
评估系统电池寿命
为了让设计者能快速评估新设计的电池寿命，设计者一般需要了解复杂的技术规格，Silicon Labs提供了一个简单、可下载的PC软件工具，即“电池寿命评估器”。
无论是任何系统或应用，只要输入设计人员所选择的电池类型，以及“放电参数”，就是图3所显示的一些基本功耗参数，则此软件会针对单、双串联，以及双并联电池组态的整体电池寿命进行比较，评估自动放电和存储寿命。此软件会输出一个图表，显示电压和时间的关系以及电池寿命的评估数据，如图4所示。
无论是任何系统或应用，只要输入设计人员所选择的电池类型，以及“放电参数”，就是图3所显示的一些基本功耗参数，则此软件会针对单、双串联，以及双并联电池组态的整体电池寿命进行比较，评估自动放电和存储寿命。此软件会输出一个图表，显示电压和时间的关系以及电池寿命的评估数据，如图4所示。
图3：电池寿命评估放电工具
图4：电池寿命评估模拟工具
通过使用以及利用测到或估计的数值去修改已存储的“放电数据”，设计人员能评估不同的系统特性和电池组态选择所造成的长期影响，甚至能比较同类的微控制器解决方案。
总结
总结
通过在微控制器上集成高效率和最佳化的电源器件，现在已能打造一个以单颗电池工作，整体电压低至0.9V的超低功耗且功能强大的系统单芯片。
Silicon Labs的全新C8051F9xx系列能以单电池方式工作，这在通用型微控制器市场相当独特。在此同时，它还能支持全速25MHz处理、300ksps ADC不受限的工作，甚至可重写此装置的闪存。值得注意的是，除了以上这些特性外，还包括高达64KB片上闪存、4KB的RAM，4x4平方毫米元器件封装。
Silicon Labs的全新C8051F9xx系列能以单电池方式工作，这在通用型微控制器市场相当独特。在此同时，它还能支持全速25MHz处理、300ksps ADC不受限的工作，甚至可重写此装置的闪存。值得注意的是，除了以上这些特性外，还包括高达64KB片上闪存、4KB的RAM，4x4平方毫米元器件封装。
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