如果您的設(shè)計(jì)無(wú)需借助外部升壓轉(zhuǎn)換器即可從消耗單節(jié)電池中受益，請(qǐng)考慮針對(duì)低電壓操作和超低功耗進(jìn)行優(yōu)化的 MCU。當(dāng)您將集成板載外圍設(shè)備和內(nèi)部電源的節(jié)能加總起來(lái)時(shí)，您會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于使用分立解決方案。

　　直到最近，即使是市場(chǎng)上最低電壓、最低功耗的 MCU 也需要至少 1.8 V 的電源才能運(yùn)行——至少需要兩節(jié)堿性電池串聯(lián)才能運(yùn)行。然而，一個(gè)新的 MCU 系列現(xiàn)在提供的最低工作電壓僅為 0.9 V——單個(gè)堿性電池的壽命終止電壓。

　　例如，通過(guò)使用單節(jié)電池運(yùn)行，您可以用類似外形尺寸的較大單節(jié)電池替換兩個(gè)較小的電池，同時(shí)延長(zhǎng)產(chǎn)品電池壽命。或者，您可以使用兩個(gè)現(xiàn)有電池并將它們并聯(lián)而不是串聯(lián)連接，從而再次顯著延長(zhǎng)產(chǎn)品電池壽命。這種并聯(lián)電池連接確實(shí)需要一種機(jī)械裝置來(lái)防止兩個(gè)電池的反向連接，但在其他方面是最大化電池壽命的好方法。

　　另一種可能性是移除一個(gè)電池，從而使您的產(chǎn)品更小更便宜。您可能會(huì)想象卸下電池會(huì)使產(chǎn)品的電池壽命縮短一半。然而，正如我們將很快看到的那樣，情況不一定如此。

　　從單個(gè)單元運(yùn)行

　　當(dāng)然，可以使用獨(dú)立的 DC/DC 升壓轉(zhuǎn)換器創(chuàng)建一個(gè)系統(tǒng)，該轉(zhuǎn)換器可以從 0.9 V 運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn) MCU，方法是提高輸入電壓以提供 1.8 V 或更高的電源。然而，這種獨(dú)立的方法在電池供電的嵌入式系統(tǒng)中存在許多限制。為了最小化電流消耗，最好在不需要時(shí)禁用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。但是，如果 DC/DC 轉(zhuǎn)換器關(guān)閉，那么 MCU 將沒(méi)有電源電壓，并且在沒(méi)有某種外部輸入的情況下將無(wú)法維持實(shí)時(shí)時(shí)鐘或重新啟動(dòng)系統(tǒng)。更糟糕的是，當(dāng) DC/DC 轉(zhuǎn)換器被禁用時(shí)，MCU 將丟失其全部 RAM 內(nèi)容。然而，在不禁用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的情況下，系統(tǒng)的待機(jī)電流消耗（即使 MCU 處于睡眠模式）仍可保持較高水平，

　　除此之外，還需要考慮 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和 MCU 的有??源效率。大多數(shù)獨(dú)立的 DC/DC 解決方案設(shè)計(jì)為在向負(fù)載提供至少 150 mW（在大多數(shù)情況下，甚至更多）時(shí)效率最高，而在負(fù)載較輕的情況下效率要低得多。相比之下，典型的 MCU 設(shè)備從電源中消耗的功率不到 30 mW，這會(huì)導(dǎo)致 DC/DC 效率低得驚人，在 50% 到 70% 的范圍內(nèi)。

　　因此，是否有另一種更有效的解決方案？如果您要將優(yōu)化的低功耗 DC/DC 轉(zhuǎn)換器集成到與 MCU 相同的硅片上會(huì)怎樣？這可以很容易地降低系統(tǒng)成本和電路板空間。如果您還包括保留 RAM 內(nèi)容并使用低至 0.9 V 的低輸入電壓運(yùn)行實(shí)時(shí)時(shí)鐘的能力，那么 MCU 可以控制自己的電源系統(tǒng)。如果您還要優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn) MCU 外設(shè)和功能，包括待機(jī)模式、從睡眠中喚醒和快速代碼執(zhí)行，以盡可能降低泄漏電流和功耗，那么該設(shè)備可以支持單節(jié)電池操作，同時(shí)仍然有電池壽命可與雙電池實(shí)現(xiàn)相媲美。

　　集成解決方案的優(yōu)勢(shì)

　　這描述了Silicon Labs為其C8051F9xx MCU系列采用的方法。具體來(lái)說(shuō)，該器件在 MCU 中集成了一個(gè)高度優(yōu)化的升壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，可以將輸入電池電壓（介于 0.9 和 1.5 V 之間）提升至 1.8 和 3.3 V 之間的可編程輸出電壓。這個(gè)升壓電壓然后用于 MCU 的 I/O 引腳和模擬外設(shè)。如圖 1 所示，通過(guò)使用優(yōu)化的 65 mW DC/DC 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器效率可保持高達(dá) 80% 至 90%。

　　圖 1：優(yōu)化的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器效率。

　　不僅如此，由于這款 DC/DC 轉(zhuǎn)換器能夠提供 65 mW 的總輸出功率，因此升壓后的輸出電壓還可用于為外部組件提供電壓供應(yīng)。通過(guò)這種方式，可以避免與其他更高電壓 IC 或傳感器接口的一些潛在問(wèn)題——以 3 V 驅(qū)動(dòng)藍(lán)色 LED，甚至提供足夠的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng) LCD 或 OLED 顯示器。

　　為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率，新系列的 MCU 內(nèi)核和數(shù)字外設(shè)采用內(nèi)部調(diào)節(jié)的 1.7 V 電源供電，在高達(dá) 25 MIPS 的速度下僅消耗 170 uA/MHz。圖 2 簡(jiǎn)要概述了這個(gè)新 MCU 系列的電源架構(gòu)。

　　圖 2：C80519xx 電源架構(gòu)。

　　功能效率

　　當(dāng)然，提供高效的集成電源系統(tǒng)并不是全部。不同的操作模式和切換時(shí)間，以及模擬、數(shù)字和通信外設(shè)都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的整體功耗產(chǎn)生影響。

　　低功耗 MCU 最明顯的數(shù)據(jù)表參數(shù)包括待機(jī)和活動(dòng)模式功耗數(shù)據(jù)。如上所述，制造商通常會(huì)引用每兆赫茲 （mA/MHz） 的毫安數(shù)來(lái)說(shuō)明設(shè)備使用的不同時(shí)鐘速度。

　　與此相關(guān)，在查看有源功耗時(shí)，雖然有悖常理，但通常情況下，更高的有源時(shí)鐘速度在平均功耗方面比以低得多的速度運(yùn)行 MCU 更有效。CMOS 處理器通常在其運(yùn)行能力較快的一端效率更高，然后可以在低功耗待機(jī)或關(guān)機(jī)模式下花費(fèi)更多時(shí)間。

　　出于同樣的原因，精心設(shè)計(jì)的快速 ADC 也可以提供高效的系統(tǒng)測(cè)量。然而，給定系統(tǒng)中 ADC 的速度可能會(huì)受到需要較長(zhǎng)采集時(shí)間的較高輸入阻抗的限制。此外，為了在電池供電系統(tǒng)中獲得一致的 ADC 結(jié)果，通常使用單獨(dú)的參考電壓，并且有時(shí)將其集成到 MCU 中。但是，如果能夠在幾微秒內(nèi)給出結(jié)果的快速 ADC 必須等待幾毫秒以使電壓基準(zhǔn)穩(wěn)定下來(lái)，系統(tǒng)的效率就會(huì)受到影響。

　　Silicon Labs 新設(shè)備上使用的 ADC 和電壓基準(zhǔn)模塊提供了市場(chǎng)上最短的喚醒和處理時(shí)間。高速內(nèi)部基準(zhǔn)電壓在 1.7 μs 內(nèi)穩(wěn)定，因此一旦 MCU 喚醒就準(zhǔn)備就緒，允許 300 ksps 10 位 ADC 立即開(kāi)始轉(zhuǎn)換。

　　在混合信號(hào) MCU 中，相對(duì)簡(jiǎn)單的模擬比較器通常由中斷驅(qū)動(dòng)，能夠喚醒設(shè)備并在某種程度上獨(dú)立于處理器內(nèi)核運(yùn)行。但是，還可以通過(guò)向 ADC 模塊添加某種程度的“自主”操作來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的功率效率。

　　最新的 Silicon Labs ADC 模塊支持突發(fā)模式（執(zhí)行一系列 16 次轉(zhuǎn)換并自動(dòng)累積結(jié)果而無(wú)需 MCU 干預(yù)）和窗口比較器模式（僅當(dāng)結(jié)果在特定“窗口”內(nèi)時(shí)才中斷 MCU）感興趣的值 — 以及提供與 DC/DC 轉(zhuǎn)換器工作周期中“最安靜”部分同步的能力。

　　堿性電池不是唯一的電池

　　幾種單節(jié)電池化學(xué)成分適合為這些 MCU 的集成 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供 1.5 至 0.9 V 的輸入電壓。這包括幾乎所有 AA 和 AAA 型電池，包括堿性電池、鎳氫電池、鎳鎘電池和鋰電池，以及鋅空氣和氧化銀“紐扣電池”。

　　但是，對(duì)于其他電池類型，標(biāo)稱電池輸出更高——例如電壓在 3.0 和 2.0 V 之間的鋰“紐扣電池”。此外，使用更高電源電壓可能還有其他原因。通過(guò)將設(shè)備配置為“雙電池”模式，此類應(yīng)用仍然可以利用超低功耗和效率。再次參考圖 2，您可以看到 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以完全禁用，從而使 MCU 能夠支持 1.8 到 3.6 V 之間的輸入電壓。

　　估計(jì)系統(tǒng)電池壽命

　　讓設(shè)計(jì)人員能夠輕松地估計(jì)電池壽命新設(shè)計(jì)——通常使用復(fù)雜的電子表格來(lái)完成的任務(wù)——Silicon Labs 提供了一個(gè)簡(jiǎn)單、免費(fèi)、可下載的 PC 實(shí)用程序，即“電池壽命估算器”。

　　對(duì)于任何系統(tǒng)或應(yīng)用，當(dāng)設(shè)計(jì)人員選擇電池類型和“放電曲線”（如圖 3 所示的一些基本功耗參數(shù)）時(shí)，軟件會(huì)比較單、雙串聯(lián)和雙并聯(lián)電池配置總電池壽命，考慮到自放電和保質(zhì)期的影響。軟件的輸出是一個(gè)圖表，顯示電池電壓與時(shí)間的關(guān)系以及電池壽命的數(shù)值估計(jì)，如圖 4 所示。

　　圖 3：電池壽命估算器放電曲線。

　　圖 4：電池壽命估算器仿真。

　　通過(guò)使用測(cè)量值或估計(jì)值并修改保存的放電曲線，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)選擇電池配置來(lái)評(píng)估不同系統(tǒng)特性的長(zhǎng)期影響，甚至可以比較具有競(jìng)爭(zhēng)力的 MCU 解決方案。

　　總結(jié)

　　通過(guò)將高效和優(yōu)化的電源組件與 MCU 器件相結(jié)合，現(xiàn)在可以擁有一個(gè)功能強(qiáng)大的超低功耗片上系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以從單個(gè)電池一直運(yùn)行到 0.9 V。

　　Silicon Labs 的新 C8051F9xx 系列在通用 MCU 市場(chǎng)上是獨(dú)一無(wú)二的，能夠以這種方式運(yùn)行。它同時(shí)支持全速 25 MHz 處理、300 ksps ADC 的無(wú)限制操作，甚至重寫(xiě)器件的閃存程序存儲(chǔ)器。盡管提供了所有這些功能以及高達(dá) 64 KB 的板載閃存程序存儲(chǔ)器和 4 KB 的 RAM，但這些器件的封裝尺寸僅為 4 x 4 mm。