最大限度降低电池供电MCU系统的耗电量

今日的便携式产品设计对所用的电池会有些相互冲突的要求，例如更丰富的产品功能会增加耗电，终端用户希望电池使用时间更长，但不断缩小的产品体积和成本限制却使电池容量无法增加，因此节省电力就成为最重要的考虑。传统设计为了将耗电减到最低，通常都尽可能减少电流消耗，但其实电池的蓄电量是电压、电流和时间的乘积，要有效提升整个系统的电源效率，就必须同时考虑这三项变量。微控制器系统若以电池做为电源，这些电池又能由使用者更换，则可采用专为这些变量而设计的微控制器，因为它们可通过芯片内置电压转换等功能和传统低耗电操作模式来解决上述问题。
　　
电池特性
　　
多数低端和中端便携式产品都会使用可替换的电池或充电电池，这些电池还可由使用者自行更换。如图1所示，刚充完电时的单节电池电压通常在1.2-1.6V之间，电力耗尽时则下降至0.9-1.0V。把两个单节电池串联即可提供1.8-3.2V之间的电压。



图1  常见单颗和双颗电池组的电压范围
　　
正常操作时的微控制器电源特性
　　
常见的低耗电微控制器都能在两颗电池的供电范围操作。例如多数8位与16位微控制器都是采用0.35微米CMOS技术，它们的操作电压最高可达到3.6V，但电压只有1.8V时其效能就会受到影响。电压较低时，数字逻辑的操作速度会变慢，模拟开关组件的导通阻抗也会变大，组件效能同样会随着电池电压改变，只是电池电压与应用需求通常无关。此外，如果数字逻辑的设计是为了在最低电池电压下操作，它在电压较高时就会消耗较多的电流。
　　
CMOS逻辑门的动态功耗可写为：P=C•V2•f，其中C为负载电容，它是设计和工艺技术的函数；V为供应电压；f则是开关频率，它是应用处理需求的函数。电源电压是控制功耗的主要手段，因此若能像C8051F9xx内含低压差(LDO)稳压器一样，直接在芯片中增加电压转换功能，就能提供稳定的1.8V电压给微控制器的数字核心(参考图2)，使动态功耗大幅下降。



图2  内含LDO稳压器的8位微控制器
　　
电压转换的好处
　　
观察CMOS技术的动态功耗关系有助于了解使用LDO稳压器的优点。

P=C•V2•f
=V•(C•V•f)
=V•I
( 其中动态电流I=C•V•f )
　　
分析动态电流时，常以1MHz频率或特定电源电压为基准将动态电流正规化；例如在1.8V电压下，常见的低耗电微控制器每1MHz会有220μA的动态电流消耗。如果没有电源稳压，则在电压为3.2V时会增加到每1MHz等于220×(3.2÷1.8)=391μA。但若使用LDO稳压器，电池电流在整个电压范围都会固定在每1MHz为220μA。设计人员还能升级到更先进的0.18微米工艺技术，使数字逻辑的速度更快，电流消耗则减少2至3成。要将操作电压降至1.8V以下其实并不难，但现有的闪存技术至少需要1.8V电压，许多模拟外围也需要1.8V以上的电压来满足效能和应用需求。
　　
图1显示，没有一种单电池或双电池架构能提供1.6-1.8V间的电压。若微控制器核心电压在这个范围，那么使用2颗电池时可由LDO提供所需电压，若是1颗电池则可使用以电感为基础的DC/DC升压转换器。在整个电池寿命期间，电池供电电路只需进行升压或降压转换，不必在两种模式之间动态切换。集成式DC/DC升压转换器(例如C8051F9xx内含转换器)虽会使电路复杂性略增，却能让系统靠一颗电池操作，大幅降低产品的成本与体积。
　　
虽然LDO能大幅降低双电池系统的耗电，但是DC/DC升压转换器却能提供比LDO还高的整体电源效率。在其它条件都相同的情形下，单电池设计若采用效率高达80%的DC/DC升压转换器，则其耗电将是不含LDO的传统0.35微米双电池设计的一半。
　　
休眠模式要求
　　
要提供最大电源效率和最长电池寿命，就必须将微控制器在唤醒过程和正常模式下的操作最佳化，确保组件多数时间都处于超低耗电的休眠模式。在有些应用中，休眠模式电流是影响整体电源消耗的最大因素。
　　
要将休眠模式的电流减到最小，就必须关闭LDO和DC/DC转换器，同时切断数字核心的电源供应。它们必须能快速启动，以便微控制器迅速回到正常操作模式。而电源管理和实时时钟电路(RTC)等许多模块即使在休眠模式也要对其进行操作，故须能使用0.9-3.2V的未稳压电源工作。切断数字核心逻辑的电源还能防止截止状态漏电流造成休眠模式电流增加，只是微控制器即使进入休眠模式，也要保存RAM内存和所有缓存器的内容，以便程序从正确的位置恢复执行。它还需要某种形式的连续供应电压监控或电压突降侦测(brownout detection)功能，确保电压即使降到保存数据所需的最低电压以下，这些状态数据也不会丢失。
　　
最后，微控制器应能在外部事件触发或内部计时终止时离开休眠模式，而且最好能够同时支持石英晶体或RC振荡器。为了确保电池寿命最长，整个芯片包括电压突降侦测电路和32.768kHz石英振荡器在内的休眠模式电流应小于1μA。举例来说，C8051F9xx包括电压突降侦测电路在内的典型休眠模式电流只有50nA，还能迅速从休眠模式回到正常操作模式(使用2颗电池时通常为2μs，1颗电池时则不到10μs)。
　　
将正常操作模式的时间减到最少
　　
微控制器在休眠模式和正常模式之间切换时，尽管电流消耗较大，却未完成实质性的工作。快速唤醒时间能节省耗电，并对具有时效性的触发事件迅速做出响应，例如因为串行端口动作而回到正常模式。避免在高速系统频率电路中使用启动缓慢的石英振荡器，而应选择精确和快速启动的芯片内置振荡器。模拟模块的启动方式还会对微控制器停留在正常模式的时间造成很大影响，例如使用外部解耦合电容的稳压器或电压参考电路，可能需要数毫秒才能稳定。进入正常操作模式后，数字核心应以最大频率工作，这样才能让静态电流分摊到较多的频率周期，使得每1MHz的电流消耗降低。分析这项效能指标时，最好将所有的静态电流源包含在内，如供应电压和频率监控电路、参考电压电路、LDO稳压器和系统频率振荡器。
　　
集成式解决方案的优点
　　
无论让传统微控制器搭配外接式LDO稳压器或DC/DC升压转换器，其效能都比不上完全集成式解决方案。集成式组件不但大幅减少体积和成本，且集成式电压转换器的效率通常也较高，这是因为它们专为给微控制器核心供电而设计。最后，外接式转换器不能关机进入休眠模式，否则会无法提供电源给微控制器。有些外接式DC/DC升压转换器可在待机模式下提供电源给休眠中的微控制器，但待机模式通常会从电池汲取几十微安培的电流。