優(yōu)化面向超低功耗設(shè)計的微控制器功效

優(yōu)化面向超低功耗設(shè)計的微控制器功效

不論是消費、工業(yè)還是醫(yī)療應(yīng)用，功耗優(yōu)化一般都是通過縮短有效處理時間以及延長處理器睡眠模式時間來實現(xiàn)的。不過，隨著超低功率應(yīng)用的出現(xiàn)，這種方法已然無法滿足要求。單電池工作、接近電池閾值的充放電，電機和/或高亮LED的控制需求，以及減小器件外形尺寸并降低成本，種種趨勢已經(jīng)改變了開發(fā)人員的功耗優(yōu)化方式。

對于電動牙刷、PMP、遙控器、無線傳感器以及其它便攜和手持式設(shè)備來說，必須將功率管理貫穿于系統(tǒng)的各個層面。通過高效單電池電壓轉(zhuǎn)換優(yōu)化功耗、利用多種電流模式、引入智能電池管理、在應(yīng)用級采用節(jié)能技術(shù)，便可以在整個系統(tǒng)范圍實現(xiàn)功耗調(diào)節(jié)。

高效的電壓轉(zhuǎn)換

許多超低功率應(yīng)用都在向單電池架構(gòu)方向發(fā)展，以降低器件成本，減小尺寸和重量。這三個要素也是決定電池供電便攜式應(yīng)用產(chǎn)品成功與否的關(guān)鍵。很多時候，電池甚至比其它所有元器件加上PCB還要重。此外，標準AA或AAA電池通常是PCB上最大的組件。將電源精簡為單個電池的方案頗具吸引力，因為其能夠簡化電池座設(shè)計，并使產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)變得更輕巧。

不過，單電池電源的設(shè)計也給設(shè)計人員帶來了各種新的挑戰(zhàn)。雖然當完全充滿電后，單電池的電壓范圍通常在1.2V-1.5V，但實際上即便電池電壓降至1V以下，仍有相當多的能量可供使用。電源電壓為1.8V的MCU需要至少兩個電池串聯(lián)工作。而有些應(yīng)用，比如利用很大的正向電壓驅(qū)動高亮度LED，更是需要4個電池之多。為了通過單電池來驅(qū)動電機、LED甚至是處理器本身，必須利用一個調(diào)節(jié)器，把現(xiàn)有電壓提升到合適的水平。然而升壓調(diào)節(jié)器的成本幾乎就相當于一個MCU，而且還需要占用很多PCB空間。此外，有些調(diào)節(jié)器還必須通過MCU來控制，從而進一步增加了設(shè)計的復雜性。

MCU內(nèi)的集成自管理升壓調(diào)節(jié)器的無縫工作，不僅可以避免由外部調(diào)節(jié)器帶來的大多數(shù)成本和空間問題，而且相比采用外部DC-DC轉(zhuǎn)換器，其MCU還能提供更高的功效。例如，集成式調(diào)節(jié)器ATtiny43U(見圖1)就能夠提升低至0.7V的電壓，較之由其它類型實現(xiàn)方案支持的技術(shù)更能在接近電池儲量的極限下放電。一個集成式調(diào)節(jié)器還可實現(xiàn)相當小的無功電流(ATtiny43U的典型值是1uA)，而且一旦有足夠電壓，就能夠自動啟動(1.2V表示滿電池或接近充電完成)。

圖1. 集成一個升壓調(diào)節(jié)器使ATtiny43U能夠在電壓低至0.7 V的單電池下工作，有效驅(qū)動高達10mA的負載電流。而且，相比其它類型的實現(xiàn)方案，它更允許放電更接近電池儲量的極限。

除此之外，這種調(diào)節(jié)器還支持所有的電池技術(shù)，賦予設(shè)計人員充分自由來選擇針對某種特定應(yīng)用的最佳電池。電池電壓范圍為0.7V-1.8V，開發(fā)人員可以使用1.6V堿性電池或氧化銀電池、1.5V鋰電池、1.4V鋅空氣電池(Zinc-Air)，以及1.2V鎳氫和鎳鎘電池等。

升壓及低電流模式

對許多應(yīng)用而言，無外部驅(qū)動電路的大電流能力也十分重要。ATtiny43U的升壓調(diào)節(jié)器具有高達30mA的電流驅(qū)動能力，能夠直接控制高亮LED和小型電機。由于該調(diào)節(jié)器是MCU的一個集成部分，所以可針對架構(gòu)進行優(yōu)化，最大限度提高效率。例如，圖2就顯示了ATtiny43U對基于剩余電荷的特定負載電流的轉(zhuǎn)換效率。

圖2. 一個集成式升壓調(diào)節(jié)器針對其MCU架構(gòu)而優(yōu)化，使不同負載和電源電壓下的轉(zhuǎn)換效率最大化。由于無需外部調(diào)節(jié)器，集成式調(diào)節(jié)器還能減小板上空間要求，降低總體系統(tǒng)成本。

如圖所示，相比電流較小的工作，大電流工作的效率更低。不過，大部分大電流應(yīng)用并不需要在大電流模式下連續(xù)工作。譬如，電動牙刷或相機只是偶爾才啟動電機工作。如果其架構(gòu)被鎖定在大電流模式，即使在只需要很小耗電量的情況下，這些設(shè)備的工作效率也很低；這就是說，調(diào)節(jié)器將以大電流工作條件下的低效率特性來提供低電流。

要維持效率的話，MCU便必須能夠支持多種工作模式。于是，當設(shè)備需要大電流和嚴格調(diào)節(jié)的Vcc時，MCU和調(diào)節(jié)器便會在調(diào)節(jié)模式(Regulated Mode)下工作。另一方面，當電機或其它外設(shè)閑置，且負載電流降至0.6mA以下時，調(diào)節(jié)器則自動切換到低電流模式(Low Current Mode)，更有效地調(diào)節(jié)功耗。

圖3. 本圖所示為一個升壓轉(zhuǎn)換器在不同負載下的典型輸出電壓曲線。在輕載或空載時(綠色曲線)，測得的轉(zhuǎn)換時間(上升電壓)為數(shù)百微秒，而閑置時間(下降電壓)為數(shù)秒。要注意的是這種變化是發(fā)生在MCU處于省電模式或功耗極小時。在主要工作模式，即有源調(diào)節(jié)模式下，輸出電壓仍保持穩(wěn)定(3V +/- 100mV)(紅色曲線)。

此外，在輕載或空載時，調(diào)節(jié)模式下的轉(zhuǎn)換器將周期性達到它的占空比低限。通過自動切換到低電流模式，轉(zhuǎn)換器便停止轉(zhuǎn)換，耗電量被降至最小，但同時仍然保持有源狀態(tài)(見圖3)。當MCU處于斷電或功耗極小時，輸出電壓便會出現(xiàn)這種變化。而在主要工作模式，即有源調(diào)節(jié)模式(Active Regulated Mode)下，輸出電壓仍保持穩(wěn)定(3V +/- 100mV)。另外需注意的是，典型轉(zhuǎn)換電壓會隨電池能量的消耗而變化(見圖4)。調(diào)節(jié)器是一個獨立的子系統(tǒng)，無需MCU的主動管理。不過，對于那些需要更直接地控制升壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計人員而言，某些特性可利用軟件來加以控制。

由于實際效率取決于應(yīng)用，故集成所有與功率調(diào)節(jié)相關(guān)的無源器件毫無意義。例如，成本是某些市場的主導因素，而在另一些市場，最重要的推動力卻可能是使用壽命。與其被迫采用針對其它市場而優(yōu)化的無源器件，或所有應(yīng)用都還算滿意但非最佳的產(chǎn)品，開發(fā)人員還不如選擇能夠給自己的應(yīng)用提供最佳平衡的的無源元件。而這只需區(qū)區(qū)幾個元件就可以做到(即一個電感、兩個旁路電容和一個肖特基二極管)。

智能電池管理

準確估算剩余能量，是最大化電視電量使用率的重要因素。譬如，充電電池需要在設(shè)置范圍內(nèi)進行嚴密監(jiān)控和充電控制，以確保電池的安全使用，并獲得盡可能長的使用壽命。剩余電荷的估算越準確，電池就越能夠接近極限容量來安全充放電，而不必擔心因充放電過度對電池造成損害。

雖然更精密的電池充放電控制意味著電池有更多可用能量，從而使用時間更長，但這種控制方式缺乏靈活性，而且可能嚴重限制處理器能夠支持的電池技術(shù)。例如，不同化學性質(zhì)的電池具有不同的安全充放電電壓閾值，如果MCU有固定閾值或在閾值配置方式上有所限制，那么其就會成為MCU有效管理的電池技術(shù)方面的障礙。因此，開發(fā)人員可能會被迫根據(jù)所選用的MCU來使用特定電池，而不是選擇最適合的電池技術(shù)。

對于必須替換電池的應(yīng)用，支持充電電池的靈活性至關(guān)重要。充電電池的閾值相比一次性電池大為不同，如果消耗過度，可能會損害其總體充電容量。由此造成的使用時間縮短，極可能被歸類為設(shè)備故障而不是電池故障。ATtiny43U的固件能夠利用內(nèi)建ADC來監(jiān)控電池電壓，并決定什么時候讓設(shè)備進入停機模式(Stop Mode)，從而徹底消耗一次性電池的電量，同時確保充電電池在多個充電周期上都能夠獲得最長的使用時間。

雖然自動關(guān)斷處理器可以保護充電電池，但是從應(yīng)用的角度來看，突然斷電可能是不可接受的。例如，突然關(guān)斷相機會致使鏡頭暴露在外，令鏡頭容易受損。因此，設(shè)計人員可以通過一個重要的功率管理元件來準確估算剩余的能量。比如，利用ATtiny43U的10位ADC每隔一定時間對電池電壓進行測量，就可以達到前述目的。采用這種方法，就有機會在設(shè)備關(guān)斷之前，讓各個器件進入安全配置。

在應(yīng)用級實現(xiàn)高功效

許多應(yīng)用都會加入一個MCU作為主機處理器的輔助處理器，用于卸載顯示器刷新、鍵盤監(jiān)控、小型電機工作以及智能電池管理等任務(wù)。采用輔助處理器的優(yōu)勢在于，MCU能夠以高于應(yīng)用處理器的功效來執(zhí)行這些功能。譬如，一個監(jiān)控鍵盤的應(yīng)用處理器必須被頻繁喚醒來執(zhí)行任務(wù)。而因為MCU在工作模式下的功耗小于應(yīng)用處理器，所以采用MCU來監(jiān)控鍵盤及更新顯示器便可以使應(yīng)用處理器更長時間地連續(xù)處于睡眠狀態(tài)，從而節(jié)省可觀的能量。

當然，處理效率也對功效有重大影響，因為MCU每個周期能執(zhí)行的工作越多，它進入睡眠模式的速度也就越快。而提高時鐘頻率會增加功耗，故效率更高的MCU架構(gòu)能夠支持在單個周期內(nèi)一個動態(tài)工作頻率和執(zhí)行指令，并執(zhí)行外設(shè)自動化管理。

超低功耗MCU還需要多種睡眠模式。例如，一個傳感器應(yīng)用可以監(jiān)控溫度，直到它超過閾值。如果在監(jiān)控期間整個MCU處于工作模式的話，所消耗的能量會比實際需要的更多。支持不同的睡眠模式，允許開發(fā)人員關(guān)斷設(shè)備的不同部分，實現(xiàn)更佳的節(jié)能效果(見表1)。

表1. 超低功耗MCU具有多種睡眠模式，因此在僅需有限功能而無需整個MCU以大功率工作模式工作的時候，開發(fā)人員可在不同的低功耗閑置模式下配置一個超低功耗MCU。

ATtiny43U架構(gòu)中有數(shù)種架構(gòu)創(chuàng)新技術(shù)，可供開發(fā)人員用于提高工作模式和睡眠模式下的功效：

精確的電源電壓：雖然MCU可以接受單電壓電源，但在架構(gòu)上它可能有多個不同的內(nèi)部電壓。這樣的設(shè)計方法帶來了低功效，因為動態(tài)功率高于預(yù)期。若所有模擬外設(shè)、閃存、EEPROM及RAM都工作在同一個電壓下時，設(shè)備的總體功耗便會降低。

泄漏電流最小化：溫度、電源電壓和工藝技術(shù)都會影響泄漏電流。超低功耗MCU不是對現(xiàn)有架構(gòu)進行修改，使其能夠在更低電壓之下工作，而是必須以功效為理念從頭開始設(shè)計，而愛特梅爾的picoPower AVR微控制器系列就是一個示例。

低功率欠壓檢測(Brown-Out Detection, BOD)：雖然零功率欠壓檢測器不會消耗功率，但它們的響應(yīng)速度也很慢，可能需要足足一毫秒的時間來檢測閾值以下的電壓，這就給MCU帶來了風險。相反地，“睡眠BOD”卻能夠在2微秒內(nèi)檢測出欠壓情況，而耗電量只有20uA。由于MCU在深睡眠模式下無需欠壓保護，這時可關(guān)斷睡眠BOD，并達致零功耗。采用這種方法，開發(fā)人員便能夠同時實現(xiàn)低功耗和快速響應(yīng)。

數(shù)字輸入中斷寄存器(DIDR): 外設(shè)(比如ADC)的多路輸入，可以提高小引腳數(shù)目器件的設(shè)計靈活性。不過，在加載Vcc/2范圍內(nèi)的電壓時，含有輸入緩沖器的晶體管將出現(xiàn)電流泄漏。這時，若使用專門的輸入中斷寄存器，在每一個模擬輸入中加入一個禁止位，開發(fā)人員便可以單獨禁止輸入緩沖器，避免泄漏的發(fā)生。

時鐘門控：時鐘門控技術(shù)可以降低任何時鐘域的切換頻率。任何沒有使用的時鐘都可以進行門控，從而避免無謂的功耗。

省電寄存器：雖然多種睡眠模式可簡化功率管理，但它們往往只能夠啟動或關(guān)斷整個外設(shè)部分。這樣，即使只使用一個外設(shè)，其它的外設(shè)也必須處于工作狀態(tài)下。省電寄存器(Power Reduction Register)可讓開發(fā)人員能夠完全單獨控制各個外設(shè)模塊的開關(guān)。在工作模式下禁用某個外設(shè)模塊可以降低5-10%的總功耗；在閑置模式下則可節(jié)省10-20%。

閃存采樣：傳統(tǒng)的閃存設(shè)計是要在工作模式下維持激活狀態(tài)。然而，在時鐘速率較低時，閃存讀取時間將小于時鐘周期。閃存采樣技術(shù)就是讓閃存以10ns數(shù)量級的速度對陣列內(nèi)容進行采樣，然后立即禁用，從而降低平均功耗。

快速喚醒：如果系統(tǒng)被喚醒速度很慢，就不得不以更長時間處于工作模式下，以適應(yīng)更長的延時，防止實時事件處理的中斷。換言之，MCU被喚醒的速度越快，它停留在睡眠模式下的時間就越長。

如何選擇超低功耗/超低電壓MCU

在評估不同的超低功率MCU規(guī)格時，開發(fā)人員必須頭腦清醒，從而確保等效測量結(jié)果的比較。例如，應(yīng)該考慮到：

? 某個范圍內(nèi)的效率：效率規(guī)格通常是根據(jù)MCU的最佳測量(最佳點)結(jié)果而不是負載電流電壓上的結(jié)果給出。某個應(yīng)用的典型工作范圍可能使其位于較低效率的曲線上。此外，效率必須在電池的整個電壓降范圍上進行估算。

? 電池的安全工作范圍：雖然MCU的耗電量也許相當小，但如果無法足夠精確地測量電壓和溫度，那么電池限值就可能被超過，導致電池受損及使用時間縮短。在確定設(shè)備可安全使用的電池能量時，精度是一個關(guān)鍵因素。

? 調(diào)節(jié)器低效：無升壓調(diào)節(jié)器的MCU有更高的效率規(guī)格，因為轉(zhuǎn)換損耗隱藏在外部調(diào)節(jié)器中。此外，在單電池設(shè)計中，如果MCU沒有集成調(diào)節(jié)器，切記把外部升壓調(diào)節(jié)器的成本和設(shè)計復雜性考慮在內(nèi)。

? 設(shè)備整個使用范圍內(nèi)的效率：在驅(qū)動大電流時，MCU的效率可能很高，但除非它有多個工作模式，否則在驅(qū)動低電流時，它的效率會很低。因此，如果應(yīng)用并非經(jīng)常需要大電流能力，總體效率便會降低。

? 規(guī)格是利用單個還是多個電池測得：某些MCU規(guī)格會隨著所用電池的數(shù)量而改變。例如，如果有多個電池，便可以避過使用內(nèi)部升壓調(diào)節(jié)器，從而提高效率。反之，在只使用單個電池時，利用多個電池獲得的各種規(guī)格(比如喚醒時間)可能會降低。

? 開發(fā)環(huán)境的成熟度：實現(xiàn)超低功率需要架構(gòu)層的創(chuàng)新。基于全新架構(gòu)的超低功率MCU常常最多只能提供仍在開發(fā)中的有限設(shè)計工具。由于軟件開發(fā)是最重要的成本因素之一，設(shè)計工具的穩(wěn)定性、完整性和功能性，在幫助開發(fā)人員有效地管理功耗，以及快速把產(chǎn)品推向市場時發(fā)揮了舉足輕重的作用。

圖5. 利用STK600和ATtinyx3U頂層模塊等演示工具套件，開發(fā)人員可測量實際工作條件下的功效。這些工具套件讓開發(fā)人員能夠全面使用ATtiny43U的功能和Ateml豐富成熟的開發(fā)工具套件來測試單電池工作，獲得高亮度LED的功率曲線，調(diào)節(jié)功率閾值，從而在安全范圍內(nèi)充分利用電池的最大容量。

確定MCU功耗如何“超低”的方法之一，是自己對其進行測量。演示工具套件(Demo Kits)為測試MCU在實際工作條件下的效率以及利用其功能集提供了行之有效的手段。例如，只要把ATtinyx3U頂層模塊(top module) 連接在STK600開發(fā)板上，開發(fā)人員便能夠全面使用ATtiny43U的功能和Atmel全面的開發(fā)工具套件(見圖5)。利用該模塊，開發(fā)人員可以測試單電池工作的限值，在直接驅(qū)動高亮LED的同時設(shè)定功耗輪廓，以及驅(qū)動集成式升壓調(diào)節(jié)器的自動關(guān)斷和上電功能，以調(diào)節(jié)功率閾值，在安全范圍內(nèi)充分利用電池的最大容量。

小結(jié)

單電池設(shè)計無需備用電池載荷，而備用電池往往正是超低功率系統(tǒng)中最重和體積最大的組件。集成了片上調(diào)節(jié)器并具有可配置模式的MCU ，可以有效彌補MCU的極小電源電壓和標準單電池技術(shù)的典型輸出電壓之間的差距，使開發(fā)人員得以把已有負載條件及電池電壓下的功耗降至最小。只需一個電池，無需外部調(diào)節(jié)器，憑借低至0.7V的電池耗電能力，以及用于LED和小型電機的大電流能力，設(shè)計人員便能夠以最低的成本、絕對超低的功耗設(shè)計出緊湊型的電池供電設(shè)備。

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