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电池电流内核可使电池寿命长达20年的微控制器节能设计

在设计电池供电产品时,人们显然希望电池寿命应该尽可能长些。作为一个快速发展的设备种类,从单电池发展起来的应用不仅仅停留在规格上:而是以整个产品的概念为中心。能源敏感的产品应用大致分为能源计量系统、家庭与楼宇自动化、安全和医疗系统(图1)。这些产品通常会围绕一个微控制器(MCU),必须用单一的原电池运作很长时间。在某些应用中,要想更换电池是很难的甚至不可能的:在其它应用中,最终用户不愿意支付更换电池的成本。

可使电池寿命长达20年的微控制器节能设计

  在这样的应用中采用的是占空比非常低的很活跃的微处理器,在“深度睡眠”状态下时间可能占了99% - 甚至更高,达到99.9%也不罕见。微处理器在一个周期循环或在回应某些刺激时被“唤醒”,执行操作,并返回到睡眠状态中。由于它们花了这么多时间去睡觉,很明显,获得最长电池寿命的关键参数是在掉电状态下的电流消耗。不过,同一节电池的使用寿命为三或四年与超过10年,延长至20年,甚至更长时间的区别在于要密切注意这个任务如何使用MCU资源的每个方面,以及MCU本身是如何设计以各种方式减少能源消耗的。

一节单电池用20年

  CR2032纽扣电池广泛用于小型MCU如远程环境传感器中,这是一种锂/二氧化锰3V原电池。典型的供应商 - 例如,柯达(参考1) -评定230 mAh到2V的终点电压能力为 5.6 k (约有0.5 mA). 如果是那样的话,电池寿命将为400小时,相比之下,能源敏感的应用能使使用寿命达到20万小时。这种特殊的电池具有很好的货架寿命或自放电率,数据表显示10年之后其容量达90%。非常相似的是,这相当于连续充电约0.25 A, 如果能够达到10-20年的电池寿命, 应用的一般要求就会满足。

  伴随电池寿命的是数量有限的电荷,设计者必须在MCU运行的所有阶段减少产品的电流和时间,不仅要减少每微安的数量,也要减少每个动作的每个微秒。

  为了减少深度睡眠模式下消耗的电流,在能源敏感应用的MCU中采用8位(或16位)内核已很普遍。其理由是,8位内核—即使在最新版本中也常常采用这样的设计 - -很小,门控相对较少,静电或泄露电流低。但是,许多现在的应用都需要比8位内核更大的处理功率。在其它MCU应用领域,用户往往选择从一个8位升级到一个32位环境。在低功耗的情况下,人们一直假定32位内核在其掉电模式状态时使用的电流一定是高得令人无法接受的。随着全套低功耗设计技术的出现,今天的IC设计师们已经可能让一个32位ARM内核提供不同的低功耗模式了,与其8位的竞争对手一样好,甚至更好,而且还能实现快速唤醒时间。 32位处理器更高的处理性能也使MCU可以更快完成任务,从而能够在这些低功耗模式中花更多时间来进一步降低平均功耗。

低功耗外围设备功能

  要优化最低耗用功率的MCU睡眠状态功耗需要整体的设计方法。除了内核,MCU里的其它模块在待机设备、稳压器、偏置电流发生器,欠压检测比较仪、加电复位电路中会继续吸引一些电流 。在几乎所有情况下,简单的交替换位都适用; 掉电状态越深,就越多外围设备的功能被完全切断,芯片准备好实施处理任务的唤醒时间越长。由于应用的差别很大,MCU设计师提供一种灵活的断电状态下的扩展套件形式就显得很重要了,这样产品设计人员就可以很好地为他个人的项目进行待机功率和响应能力的交替换位。

  设计实施ARM内核以实现在nanoamp区最深睡眠状态的电流水平只是低能源战略的一个步骤。能够提供一个32位内核的处理能力为控制能源使用开辟了新途径, 在任何时候,它是MCU供电图下面的区域,随着时间的推移,它表示从电池里取走的电荷(图2)。就是这样,在具体配置中电流消耗的大标题数字越多,设计人员就必须密切注意要最大限度地延长电池的使用寿命。在EFM32微控制器的开发工具包中,这种测量是很清楚的; 这个工具包的基本功能部分是其先进能源监控器(图3)。该设施在填充MCU内核的电流轨中不断测量电流;一个从模拟到数字的转换器(ADC)通过电阻器采集电压,而开发工具包软件集成其读数来精确测量不同时间的功率。

  

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