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單電池微控制器工作的優(yōu)點
摘要: 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SiliconLabs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現(xiàn),。為了采
Abstract:
Key words :

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,,同時增加產品的電池壽命,。另一個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品的電池壽命,。但并聯(lián)的電池連結方式需搭配特定機制以防止這兩顆電池逆向連結,除此之外這不失為是一種將電池壽命最大化的好方法,。

另一個可能性則是拿掉一個電池,,如此能讓產品更小且更便宜。也許你會認為拿掉一個電池會讓產品電池壽命減半,,但了解了下面的說明,,您就會明白未必如此。

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升壓轉換器,。然而,就電池供電的嵌入式系統(tǒng)而言,,該獨立的方法有若干限制,。為求將電力消耗降至最低,在不需要的時候,,DC-DC轉換器最好能停止工作,。然而,若關掉DC-DC轉換器,,則微控制器就失去了供應電源,,并且無法保持實時時鐘,或是在沒有額外輸入電壓的情況下便無法重新啟動系統(tǒng),。更糟的是,,當DC-DC失去作用時,微控制器將失去整個RAM的內容,。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)的待機電流仍會偏高,,通常會超過20uA,。

除此之外,還必須考慮DC-DC轉換器和微控制器的工作效率,。大部分的獨立式DC-DC方案都被設計為傳送至少150mW(在大部分情況下會更多)給負載時的效率為最高,,而在較小的負載時效率就會差許多。相對而言,,一個典型的微控制器從供電端所汲取的電流會小于30mW,,而這會造成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最佳化,、低電源的DC-DC轉換器和微控制器集成到同一個芯片上,。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內容并操作實時時鐘,,則該微控制器還能控制它自有的供電系統(tǒng),。若你還針對標準型MCU的外圍和功能進行標準化,如待機模式,、睡眠喚醒及快速代碼執(zhí)行等,,以達到最低的漏電損失和功耗,則該裝置便能支持單電池工作,,同時還能擁有與雙電池工作相當?shù)碾姵貕勖?br />
集成式解決方案的優(yōu)點

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,通過使用一個優(yōu)化的65mW DC-DC轉換器,,此轉換器依然可保持80%至90%的高效率,。

不僅如此,由于DC-DC轉換器能供應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的潛在問題,。如連接至其它較高電壓IC或傳感器,、驅動3V電壓LED,或提供足以驅動LCD或OLED顯示器的電壓,。

為進一步改善系統(tǒng)效率,,此新產品系列的微控制核心和數(shù)字外圍皆是以內部統(tǒng)一的1.7V電壓工作,在25MIPS的速度時僅消耗170uA/MHz。圖2為此全新微控制器系列的電源架構簡單示意圖,。

圖2:C8051F9xx電源架構

功能效率

當然,,不是提供高效率的集成式電源供應系統(tǒng)就夠了,不同的工作模式和轉換次數(shù),,以及模擬,、數(shù)字和通訊外圍都會影響系統(tǒng)的整體功耗。

低電源微控制器最需注意的技術規(guī)格就是待機和工作模式功耗的數(shù)據(jù),。如上所述,,制造廠商通常會列出每兆赫茲多少毫安(mA/MHz)的數(shù)值來計算該設備所使用的各種時鐘速度。

關于這一點,,當我們關注有效功耗時,,便會直覺的認為就平均功耗而言,以高時鐘速率的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CMOS處理器的工作性能是在速度較快的情況下工作時,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或是關機模式上,。

基于相同的原因,一個設計優(yōu)良,、快速的模擬/數(shù)字轉換器(ADC)也能提供高效率的系統(tǒng)表現(xiàn),。然而,在特定系統(tǒng)中,,需要較長存取時間的高輸入阻抗可能會限制了ADC的速度,。此外,為求電池供電系統(tǒng)中的ADC結果一致,,一般會采用分立式的參考電壓,,有時則會集成至微控制器中。然而,,若這樣能在幾個百萬分之一秒得到高速ADC,,則必須花費數(shù)毫秒等待參考電壓穩(wěn)定,而系統(tǒng)就會花費多余時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間,。其高速內部電壓參考可在1.7us內取得穩(wěn)定,也就是在微控制器被喚醒后就準備好了,,這讓300 ksps 10位ADC能立刻開始轉換,。

通常,在混合信號微控制器中,,相對簡單的比較器以中斷驅動,,這能喚醒設備,,并能某種程度地獨立于處理器核心之外工作。然而,,通過增加ADC模塊一些“獨立”工作的機會,,則可以實現(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次的轉換,,并在沒有微控制器介入的情況下自動累積結果;另一種為窗口比較器(window-comparator)模式——只有在結果落在特別數(shù)值的窗口時才會中斷微控制器,,并能提供同步至DC-DC轉換器工作周期中最“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轉換器,多種單電池的化學性質適合用來提供介于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電壓。通過將裝置的組態(tài)設定為“雙電池”模式,,這樣的應用仍能利用超低功耗及高效率的優(yōu)點,。請再次參考圖2,您會發(fā)現(xiàn)DC-DC轉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

為了讓設計者能快速評估新設計的電池壽命,設計者一般需要了解復雜的技術規(guī)格,,Silicon Labs提供了一個簡單,、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)或應用,,只要輸入設計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)的整體電池壽命進行比較,,評估自動放電和存儲壽命,。此軟件會輸出一個圖表,顯示電壓和時間的關系以及電池壽命的評估數(shù)據(jù),,如圖4所示,。

 

圖3:電池壽命評估放電工具 

圖4:電池壽命評估模擬工具

通過使用以及利用測到或估計的數(shù)值去修改已存儲的“放電數(shù)據(jù)”,設計人員能評估不同的系統(tǒng)特性和電池組態(tài)選擇所造成的長期影響,,甚至能比較同類的微控制器解決方案,。

總結

 

通過在微控制器上集成高效率和最佳化的電源器件,現(xiàn)在已能打造一個以單顆電池工作,,整體電壓低至0.9V的超低功耗且功能強大的系統(tǒng)單芯片,。

Silicon Labs的全新C8051F9xx系列能以單電池方式工作,這在通用型微控制器市場相當獨特,。在此同時,,它還能支持全速25MHz處理、300ksps ADC不受限的工作,,甚至可重寫此裝置的閃存,。值得注意的是,除了以上這些特性外,,還包括高達64KB片上閃存,、4KB的RAM,4x4平方毫米元器件封裝,。

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