設(shè)計(jì)人員通常通過減少活動處理時間和增加微控制器 （MCU） 在睡眠模式下的停留時間來優(yōu)化設(shè)備功耗。然而，隨著超低功耗應(yīng)用的興起，這種方法已不再適用。

對于電動牙刷、個人媒體播放器、遙控器、無線傳感器以及各種其他便攜式和手持設(shè)備等設(shè)備，需要在系統(tǒng)的各個級別實(shí)施電源管理。通過高效的單節(jié)電壓轉(zhuǎn)換優(yōu)化功耗、利用多種電流模式、引入智能電池管理以及在應(yīng)用層實(shí)施節(jié)能技術(shù)，可以在整個系統(tǒng)中協(xié)調(diào)功耗。

高效的電壓轉(zhuǎn)換

許多超低功耗應(yīng)用正在轉(zhuǎn)向單電池架構(gòu)，以降低設(shè)備成本、尺寸和重量。減少對單個電池的供電是一個有吸引力的選擇，因?yàn)樗喕穗姵刈?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/1472/" target="_blank">機(jī)械結(jié)構(gòu)并導(dǎo)致產(chǎn)品更小更輕。

充滿電時，單個電池的電壓通常在 1.2 V 至 1.5 V 之間，但電池可降至 1 V 以下，同時仍擁有大量可用能量。從單個電池驅(qū)動電機(jī)、LED 甚至微控制器本身都需要一個穩(wěn)壓器來將可用電壓提升到適當(dāng)?shù)乃健?/p>

ATtiny43U 具有一個集成穩(wěn)壓器，可以將電壓提升至 0.7 V（參見圖 1），從而允許在電池電量接近尾聲時繼續(xù)放電。該集成穩(wěn)壓器提供 1 微安（典型值）空閑電流，一旦有足夠電壓即可自動啟動，并支持任何電池技術(shù)，使開發(fā)人員能夠使用 1.6 V 堿性或氧化銀、1.5 V 鋰離子、1.4 V 鋅-air，以及 1.2 V NiMH 和 NiCd 等。

圖 1： ATtiny43U 在低至 0.7 V 的電壓下工作。

升壓和低電流模式

無需外部驅(qū)動電路的高電流容量對于許多應(yīng)用也很重要。ATtiny43U 的升壓穩(wěn)壓器可驅(qū)動高達(dá) 30 mA 的電流，可直接控制高亮度 LED 和小型電機(jī)。圖 2 顯示了 ATtiny43U 在特定負(fù)載電流下基于剩余電量的轉(zhuǎn)換效率。

圖 2：負(fù)載電流的升壓效率取決于輸入電壓。

如圖 2 所示，大電流運(yùn)行的效率低于以較低電流運(yùn)行時的效率，但大多數(shù)高電流應(yīng)用不需要連續(xù)在高電流模式下運(yùn)行。如果架構(gòu)被鎖定在高電流模式，那么這些設(shè)備將以較低的效率運(yùn)行，即使設(shè)備只需要低電流消耗。

為了保持效率，MCU 必須能夠支持多種操作模式。當(dāng)設(shè)備需要高電流和嚴(yán)格調(diào)節(jié)的 Vcc 時，MCU 和調(diào)節(jié)器將在調(diào)節(jié)模式下運(yùn)行。當(dāng)電機(jī)或其他外圍設(shè)備未使用，且負(fù)載電流降至 0.6 mA 以下時，穩(wěn)壓器會自動切換到低電流模式，執(zhí)行更高效的電源轉(zhuǎn)換。

此外，在輕載或空載時，穩(wěn)壓模式下的轉(zhuǎn)換器將周期性地達(dá)到其占空比下限。通過自動進(jìn)入低電流模式，轉(zhuǎn)換器停止開關(guān)并將電流消耗降至最低，同時仍保持工作狀態(tài)（參見圖 3）。

圖 3：轉(zhuǎn)換器在穩(wěn)壓模式下周期性地達(dá)到其占空比下限，并在低電流模式下削減電流消耗。

在主工作模式，主動穩(wěn)壓模式下，輸出電壓保持穩(wěn)定在 3 V ±100 mV 范圍內(nèi)。另請注意，隨著電池中的能量耗盡，典型的轉(zhuǎn)換電壓會發(fā)生變化（參見圖 4）。

圖 4：當(dāng)電池中的能量耗盡時，操作模式之間的轉(zhuǎn)換級別會發(fā)生變化。

智能電池管理

可充電電池需要在設(shè)定的限度內(nèi)進(jìn)行仔細(xì)監(jiān)控和充電控制，以確保安全使用和最佳使用壽命。不同的電池化學(xué)成分具有不同的電壓閾值，它們可以安全地充電和放電。

ATtiny43U 的固件可以使用內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 監(jiān)控電池電壓，并決定何時將自身置于停止模式，從而徹底耗盡一次性電池的電量，同時確?？沙潆婋姵卦诙鄠€充電周期內(nèi)的最長使用壽命。

雖然自動關(guān)閉 MCU 可以保護(hù)可充電電池，但從應(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)閉相機(jī)會使鏡頭暴露在外且易受攻擊。使用 ADC 定期測量電池電壓使應(yīng)用程序有機(jī)會在關(guān)機(jī)前將設(shè)備置于安全配置中。

更多省電技術(shù)

許多應(yīng)用程序添加一個 MCU 作為輔助處理器來輔助主應(yīng)用程序處理器，卸載更新顯示器、監(jiān)控鍵盤、操作小型電機(jī)和智能管理智能電池等任務(wù)。以這種方式使用 MCU 可使應(yīng)用處理器不間斷地休眠更長時間，從而顯著節(jié)省電力。

超低功耗 MCU 還需要多種睡眠模式。例如，傳感器應(yīng)用程序可以監(jiān)控溫度，直到它超過閾值。在監(jiān)控期間保持整個 MCU 處于活動模式會消耗比實(shí)際需要更多的功率。支持不同的睡眠模式，允許開發(fā)人員關(guān)閉設(shè)備的不同部分，從而實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能（參見表 1）。

表 1：典型的操作模式為開發(fā)人員提供了不同的電流消耗選項(xiàng)。

ATtiny43U 架構(gòu)中的許多其他創(chuàng)新提高了活動和睡眠模式下的電源效率：

低功耗掉電檢測

雖然零功率掉電檢測器不消耗功率，但它們的響應(yīng)速度也很慢，并且可能需要整整毫秒來檢測低于閾值的電壓，從而使 MCU 處于危險(xiǎn)之中?；蛘?，休眠的掉電檢測器可以在 2 微秒內(nèi)識別掉電情況，而僅消耗 20 微安電流。

數(shù)字輸入禁用寄存器

將輸入多路復(fù)用到 ADC 等外設(shè)有助于低引腳數(shù)設(shè)備，但當(dāng)施加 Vcc/2 范圍內(nèi)的電壓時，構(gòu)成輸入緩沖器的晶體管將出現(xiàn)電流泄漏。使用每個模擬輸入一個禁用位的專用輸入禁用寄存器使開發(fā)人員能夠禁用單個輸入緩沖器以防止泄漏。

功率降低寄存器

雖然多種睡眠模式簡化了電源管理，但它們通常會打開或關(guān)閉整個外設(shè)模塊。功耗降低寄存器使開發(fā)人員可以完全控制關(guān)閉各個外圍模塊。禁用一個外圍模塊可以在活動模式下降低 5-10% 的總功耗，在空閑模式下降低 10-20%。

閃光采樣

傳統(tǒng)閃存設(shè)計(jì)為在活動模式下始終啟用。然而，在較低的時鐘速度下，閃存讀取時間將小于時鐘周期。閃存采樣使閃存能夠以大約 10 ns 的時間對陣列的內(nèi)容進(jìn)行采樣，然后立即將其禁用，從而降低平均功耗。

看到差異

開發(fā)套件提供了一種在實(shí)際操作條件下測試 MCU 效率的有效方法。ATtinyx3U 頂部模塊連接到 ATSTK600 開發(fā)板。使用該套件，開發(fā)人員可以測試單節(jié)電池操作的極限，在直接驅(qū)動高亮度 LED 的同時分析功耗，并驅(qū)動集成升壓穩(wěn)壓器的自動關(guān)機(jī)和開機(jī)功能來調(diào)整功率閾值，以利用最大容量安全參數(shù)內(nèi)的細(xì)胞。

MCU 集成了片上穩(wěn)壓器和可配置模式，有效地縮小了 MCU 的最小電源電壓與標(biāo)準(zhǔn)單節(jié)電池技術(shù)的典型輸出電壓之間的差距，使開發(fā)人員能夠根據(jù)可用的負(fù)載條件和電池電壓最大限度地降低功耗。只需一節(jié)電池，無需外部穩(wěn)壓器，能夠?qū)㈦姵仉娏拷抵?0.7 V，并為 LED 和小型電機(jī)提供高電流容量，設(shè)計(jì)人員可以構(gòu)建真正超低功耗的緊湊、經(jīng)濟(jì)高效的電池供電設(shè)備。

審核編輯：郭婷