MCU 將成為大多數(shù)面向物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 的設(shè)計(jì)中的主要控制元素，并且這些 MCU 可能由電池供電。電源效率對(duì)于實(shí)現(xiàn)可接受的電池壽命至關(guān)重要，因此 MCU 需要比以往更精確地管理電池使用。許多 MCU 具有幫助管理電池電量的特殊功能，并且以最佳方式使用這些功能可能會(huì)決定市場(chǎng)的成敗。

　　本文將快速回顧實(shí)現(xiàn)基于電池的高效 MCU 設(shè)計(jì)所需的一些關(guān)鍵特性，并將使用示例器件說明這些特性如何提高效率和電池壽命。幫助估計(jì)電池壽命的軟件工具將用于展示如何在詳細(xì)設(shè)計(jì)實(shí)施之前估計(jì)壽命。這極大地有助于器件選擇，并且是創(chuàng)建節(jié)能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

　　管理電源域

　　在考慮基于電池的 MCU 實(shí)現(xiàn)時(shí)，我們最初可能會(huì)假設(shè)有一個(gè) MCU 電源域，用電池供電，我們的目標(biāo)是管理這個(gè)電源域，以創(chuàng)建盡可能節(jié)能的 MCU 實(shí)現(xiàn)。然而，很快我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)這種假設(shè)通常是錯(cuò)誤的，即使是簡(jiǎn)單的 MCU 通常也有多個(gè)片上電源域。事實(shí)證明，當(dāng)電源效率對(duì)我們的設(shè)計(jì)至關(guān)重要時(shí)，擁有多個(gè)電源域可能是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。擁有多個(gè)域可以讓我們更有效地管理和控制 MCU 部分的電源，這些部分基于我們需要為特定實(shí)現(xiàn)執(zhí)行的功能。

　　STM32F0x1 MCU 系列（例如，STM32F051K8U6）是 STM32 MCU 系列中的入門級(jí)器件，因此是可經(jīng)常用于基于電池的應(yīng)用的器件的一個(gè)很好的例子。下面的圖 1 顯示了 STM32F0x1/x2 器件可用的各種電源域。V DDA域?yàn)槠骷忻嫦?a href="http://m.makelele.cn/analog/" target="_blank">模擬的模塊供電，并包括用于 A/D 轉(zhuǎn)換器、D/A 轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器、復(fù)位發(fā)生器和時(shí)鐘 PLL 的功能。V DDIO2電源域在 STM32F04x/7x/9x 器件上可用，并在需要支持不同的 I/O 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)提供獨(dú)立的 I/O 電源軌（此電源電壓范圍可以從 1.65 到 3.6 V，以涵蓋各種I/O 標(biāo)準(zhǔn)）。主 V DD電源域?yàn)榇蟛糠衷O(shè)備供電。這包括非 STM32F04x/7x/9x 器件上的 I/O 環(huán)、待機(jī)電路和通常始終開啟的喚醒邏輯，它還通過以下方式為 1.8 V 數(shù)字內(nèi)核（處理器、存儲(chǔ)器和數(shù)字外設(shè)）供電片上穩(wěn)壓器。

　　圖 1：STM32F0x1/x2 電源顯示電池備份域。（意法半導(dǎo)體提供）

　　來自外部 V BAT引腳的最終電源域?yàn)閭溆糜蚬╇?。備份功能包括一個(gè)低能耗的 32 KHz 晶體時(shí)鐘振蕩器，即使在設(shè)備的其余部分?jǐn)嚯姇r(shí)也能保持其值的備份寄存器（便于在系統(tǒng)復(fù)位和電源波動(dòng)之間保存重要數(shù)據(jù)），以及真正的-時(shí)鐘（RTC）塊。當(dāng) V DD信號(hào)低于設(shè)定閾值時(shí)，低壓檢測(cè)器可以自動(dòng)切換到 V BAT輸入，以簡(jiǎn)化電池備份的實(shí)施。

　　這些獨(dú)立的電源域可以根據(jù)應(yīng)用所需的操作輕松控制和管理提供給 MCU 的電源。例如，如果設(shè)備正在等待 RTC 發(fā)出開始模數(shù)轉(zhuǎn)換的時(shí)間信號(hào)，則可以在僅電池備用域運(yùn)行的情況下關(guān)閉大部分設(shè)備。RTC 超時(shí)可以切換 I/O 信號(hào)以提醒外部電源管理設(shè)備，然后該設(shè)備可以打開其他電源域。這可能是一種非常節(jié)能的技術(shù)，但需要外部電源和電池管理設(shè)備。

　　在某些應(yīng)用中，STM32F0x1/x2 器件將通過將器件的各個(gè)部分置于低功耗模式、管理時(shí)鐘頻率和測(cè)量電壓源以檢測(cè)低電壓電平何時(shí)可能影響操作來自行管理關(guān)鍵模塊的電池和電源。 在這些應(yīng)用中，多個(gè)片上電壓域和低功耗工作模式都是關(guān)鍵要求?，F(xiàn)在讓我們更詳細(xì)地了解低功耗模式，看看它們?nèi)绾闻c多個(gè)片上電源域一起工作，以進(jìn)一步提高基于電池的實(shí)現(xiàn)的電源效率。

　　為了幫助工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，意法半導(dǎo)體提供了其 STM32F0 系列的產(chǎn)品培訓(xùn)模塊概述。

　　低功耗 MCU 工作模式可提高電源效率

　　現(xiàn)在幾乎每個(gè) MCU 都提供各種低功耗工作模式，通過限制工作頻率和/或關(guān)鍵模塊的可操作性來降低工作功耗。這些模式有多種名稱，但它們的功能通常非常相似。飛思卡爾 MCF51QE _當(dāng)電源效率對(duì)您的應(yīng)用至關(guān)重要時(shí)，MCU 系列是您應(yīng)該尋找的低功耗工作模式類型的一個(gè)很好的例子。圖 2 顯示了狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和簡(jiǎn)單的功率調(diào)節(jié)表，以說明如何使用這些模式來提高功率效率。運(yùn)行模式不限制操作，調(diào)節(jié)器在完全開啟狀態(tài)下運(yùn)行。在其他模式中，各種模塊通過關(guān)閉關(guān)鍵元件的電源或通過降低工作頻率來使用較低的功率運(yùn)行。例如，在等待模式下，CPU 關(guān)閉以節(jié)省電力，但外設(shè)以全時(shí)鐘速率運(yùn)行。當(dāng)不需要 CPU 操作但定時(shí)器或通信外設(shè)必須繼續(xù)操作時(shí)，這可以節(jié)省電力。通常這些外設(shè)可以在需要 CPU 時(shí)通過中斷喚醒 CPU。關(guān)閉 CPU 的能力可以節(jié)省大量的運(yùn)行功率，因?yàn)?? CPU 在運(yùn)行時(shí)會(huì)使用 MCU 的大部分功率預(yù)算。以下部分提供了每種低功耗模式的更詳細(xì)說明。

　　圖 2：飛思卡爾 MCF51QE128 低功耗模式。（由飛思卡爾提供）

　　運(yùn)行模式 — CPU 時(shí)鐘可以全速運(yùn)行，內(nèi)部電源完全調(diào)節(jié)。

　　LPrun 模式 — CPU 和外設(shè)時(shí)鐘限制為 250 kHz CPU 時(shí)鐘和 125 kHz 總線時(shí)鐘最大值，并且內(nèi)部電源處于軟調(diào)節(jié)狀態(tài)。

　　等待模式——CPU 關(guān)閉以節(jié)省電力；外設(shè)時(shí)鐘正在運(yùn)行并保持完全調(diào)節(jié)。

　　LPwait 模式——CPU 關(guān)閉以節(jié)省電力；外設(shè)時(shí)鐘以降低的速度運(yùn)行（最大 125 kHz），內(nèi)部穩(wěn)壓器運(yùn)行在松散調(diào)節(jié)模式下。

　　停止模式 — 系統(tǒng)（CPU 和外設(shè)）時(shí)鐘停止。

　　Stop4 — 所有內(nèi)部電路都通電（完全調(diào)節(jié)模式），內(nèi)部時(shí)鐘源仍處于最大頻率以實(shí)現(xiàn)最快恢復(fù)。

　　Stop3 — 所有內(nèi)部電路都松散調(diào)節(jié)，時(shí)鐘源處于最小值（最大值 125 kHz），在功率利用率和恢復(fù)速度之間提供了良好的折衷。

　　Stop2——內(nèi)部電路部分掉電；RAM 內(nèi)容被保留。此設(shè)備的最低功耗模式。從 Stop2 模式返回需要復(fù)位。

　　運(yùn)行、等待和停止模式在現(xiàn)代 MCU 中普遍存在，并為非常節(jié)能的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。特別是，僅定期使用主 CPU 的應(yīng)用程序（可能僅用于平均大量傳感器讀數(shù)或在緩沖區(qū)快滿時(shí)管理接收到的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)）可以通過關(guān)閉 CPU 并讓智能外圍設(shè)備盡可能多地處理算法。等待和停止之間的區(qū)別通常反映在響應(yīng)時(shí)間上，因?yàn)閺牡凸臓顟B(tài)（這會(huì)降低典型停止模式中的靜態(tài)電流）為模塊上電通常需要更長(zhǎng)的時(shí)間，而不是移除時(shí)鐘門控信號(hào)以啟動(dòng)一個(gè)塊（僅減少典型等待模式下的動(dòng)態(tài)電流）。

　　MCF51QE128 中可用的LPrun和 LPwait 模式提供了另一種通過以比正常低得多的頻率運(yùn)行 CPU 和/或外設(shè)來降低功耗的技術(shù)。當(dāng)操作不容易定期執(zhí)行并且必須連續(xù)運(yùn)行但不需要高速運(yùn)行時(shí)，這很有用。例如，在正常運(yùn)行模式下可能會(huì)高速接收通信數(shù)據(jù)包，但可以使用 LPrun 來處理數(shù)據(jù)。如果處理時(shí)間取決于數(shù)據(jù)并且不能通過周期性定時(shí)器中斷輕松管理，這將特別有用。一旦數(shù)據(jù)處理完畢，就可以進(jìn)入LPwait狀態(tài)，等待下一個(gè)數(shù)據(jù)包需要接收。

　　結(jié)合使用各種電源域和低功耗模式，可以實(shí)現(xiàn)多種高效實(shí)現(xiàn)。找到各種時(shí)鐘頻率、低功耗模式和狀態(tài)轉(zhuǎn)換的最佳組合可能是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，通常需要在詳細(xì)實(shí)施之前完成，否則您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)使用已選擇的器件無法滿足您的操作要求并影響項(xiàng)目進(jìn)度顯著地。理想情況下，您希望能夠?qū)Ω鞣N工作功率水平進(jìn)行建模并估計(jì)目標(biāo)應(yīng)用的電池壽命。幸運(yùn)的是（或者可能是因?yàn)樗麄兝斫膺@個(gè)困難）MCU 制造商已經(jīng)創(chuàng)建了一些我們可以用來解決這個(gè)難題的估計(jì)工具。

　　軟件工具有助于估計(jì)功率要求和電池壽命

　　更易于使用的工具之一是Microchip XLP 電池壽命估算器 （BLE） 1. 這款可免費(fèi)下載的工具可與任何 XLP MCU 配合使用，以估算整個(gè)應(yīng)用的功耗。它還可用于獲取 XLP MCU 設(shè)計(jì)中關(guān)鍵例程的功耗的詳細(xì)估計(jì)值。下面的圖 3 顯示了 BLE 的圖形用戶界面 （GUI）。您只需選擇您的設(shè)備、電壓和溫度，然后選擇您的目標(biāo)電池（GUI 中的步驟 1 到 3）。然后，您可以在應(yīng)用程序中指定關(guān)鍵操作，定義操作頻率、函數(shù)使用的模式、函數(shù)激活的時(shí)間以及函數(shù)期間激活的各種模塊（如 ADC、UART、定時(shí)器等）。（在下面的示例中，在 16 MHz 的運(yùn)行模式中有一個(gè)功能，兩個(gè)睡眠模式功能和一個(gè) 1 MHz 的運(yùn)行模式功能）軟件自動(dòng)確定每個(gè)功能中使用的電流，然后報(bào)告設(shè)計(jì)的估計(jì)電池壽命。在示例中，電池壽命估計(jì)為不到 200 天。可以生成完整的文本文件報(bào)告以保存程序設(shè)置和結(jié)果。圖 3 底部顯示了一個(gè)示例。

　　圖 3：Microchip XLP 電池壽命估算器程序——GUI 和報(bào)告。（由微芯片提供）

　　使用電池壽命估算器程序可以輕松識(shí)別關(guān)鍵例程以及應(yīng)用程序使用最多電量的位置。這使您可以調(diào)整設(shè)計(jì)，同時(shí)嘗試不同的設(shè)備以找到正確的實(shí)現(xiàn)。在詳細(xì)的編碼和電路板設(shè)計(jì)之前執(zhí)行此操作可以避免您浪費(fèi)大量精力來探索無法提供成功設(shè)計(jì)所需的電源效率的選項(xiàng)。

　　一旦您對(duì)自己的選擇充滿信心，您就可以進(jìn)行下一步使用評(píng)估套件，例如 Microchip PIC24F評(píng)估套件。通常，這些套件包含大量示例代碼、參考設(shè)計(jì)和大量文檔，以便您輕松編寫關(guān)鍵例程并測(cè)量您在完整實(shí)施中將獲得的實(shí)際功率水平。

　　用于基于電池的高效實(shí)施的新低功耗技術(shù)

　　MCU 制造商也在推動(dòng)技術(shù)發(fā)展，不斷從頭開始創(chuàng)造新的低功耗功能。德州儀器 （ Texas Instruments ） 使用新型非易失性存儲(chǔ)器鐵電 RAM 或 FRAM 創(chuàng)建了一系列面向低功耗的 MCU，該系列將 SRAM 的速度、靈活性和耐用性與閃存的穩(wěn)定性和可靠性相結(jié)合，而且總功耗更低消耗。FRAM 存儲(chǔ)器具有超低功耗和快速（每字 125 ns）寫入功能。FRAM 可用作程序、數(shù)據(jù)或存儲(chǔ)，以簡(jiǎn)化應(yīng)用程序開發(fā)。FRAM 的超低功耗和非易失性使其成為需要大量存儲(chǔ)訪問和計(jì)算能力（如數(shù)據(jù)聚合和傳感器預(yù)處理）的基于電池的 MCU 應(yīng)用的絕佳選擇。

　　MSP430FR MCU 系列還具有關(guān)鍵的低功耗模式、智能外設(shè)和高級(jí)處理能力。圖 4 中的框圖顯示了MSP430FR5731 /5/ 9器件中可用的所有關(guān)鍵 MCU 功能。另請(qǐng)查看涵蓋TI MSP430FR MCU 系列功能的 TI 產(chǎn)品培訓(xùn)模塊，并展示 FRAM 技術(shù)如何為各種應(yīng)用提供顯著的低功耗優(yōu)勢(shì)。

　　圖 4：德州儀器 MSP430FR5731/5/9 框圖。（德州儀器提供）

　　結(jié)論

　　許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將使用基于電池的 MCU 實(shí)施方案，電源效率對(duì)于成功的產(chǎn)品至關(guān)重要。當(dāng)您使用功率估算工具為您的目標(biāo)應(yīng)用選擇正確的器件時(shí)，為您的實(shí)施選擇正確的 MCU 會(huì)更容易。