优化面向超低功耗设计的微控制器功效

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  • 不论是消费、工业还是医疗应用,功耗优化一般都是通过缩短有效处理时间以及延长处理器睡眠模式时间来实现的。不过,随着超低功率应用的出现,这种方法已然无法满足要求。单电池工作、接近电池阈值的充放电,电机和/或高亮LED的控制需求,以及减小器件外形尺寸并降低成本,种种趋势已经改变了开发人员的功耗优化方式。

    对于电动牙刷、PMP、遥控器、无线传感器以及其它便携和手持式设备来说,必须将功率管理贯穿于系统的各个层面。通过高效单电池电压转换优化功耗、利用多种电流模式、引入智能电池管理、在应用级采用节能技术,便可以在整个系统范围实现功耗调节。

    高效的电压转换

    许多超低功率应用都在向单电池架构方向发展,以降低器件成本,减小尺寸和重量。这三个要素也是决定电池供电便携式应用产品成功与否的关键。很多时候,电池甚至比其它所有元器件加上PCB还要重。此外,标准AA或AAA电池通常是PCB上最大的组件。将电源精简为单个电池的方案颇具吸引力,因为其能够简化电池座设计,并使产品的整体结构变得更轻巧。

    不过,单电池电源的设计也给设计人员带来了各种新的挑战。虽然当完全充满电后,单电池的电压范围通常在1.2V-1.5V,但实际上即便电池电压降至1V以下,仍有相当多的能量可供使用。电源电压为1.8V的MCU需要至少两个电池串联工作。而有些应用,比如利用很大的正向电压驱动高亮度LED,更是需要4个电池之多。为了通过单电池来驱动电机、LED甚至是处理器本身,必须利用一个调节器,把现有电压提升到合适的水平。然而升压调节器的成本几乎就相当于一个MCU,而且还需要占用很多PCB空间。此外,有些调节器还必须通过MCU来控制,从而进一步增加了设计的复杂性。

    MCU内的集成自管理升压调节器的无缝工作,不仅可以避免由外部调节器带来的大多数成本和空间问题,而且相比采用外部DC-DC转换器,其MCU还能提供更高的功效。例如,集成式调节器ATtiny43U(见图1)就能够提升低至0.7V的电压,较之由其它类型实现方案支持的技术更能在接近电池储量的极限下放电。一个集成式调节器还可实现相当小的无功电流(ATtiny43U的典型值是1uA),而且一旦有足够电压,就能够自动启动(1.2V表示满电池或接近充电完成)。

    优化面向超低功耗设计的微控制器功效
    图1. 集成一个升压调节器使ATtiny43U能够在电压低至0.7 V的单电池下工作,有效驱动高达10mA的负载电流。而且,相比其它类型的实现方案,它更允许放电更接近电池储量的极限。

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