鉅大LARGE | 點擊量:981次 | 2020年07月13日
單電池微控制器工作的優(yōu)點分析
為了采用單電池工作,你可以在空間大小相同的情況下,用一顆較大的電池取代兩顆較小的電池,同時新增產(chǎn)品的電池壽命。另一個作法則是不采用串聯(lián),而以并聯(lián)方式連接現(xiàn)有的兩顆電池,如此也能有效延長產(chǎn)品的電池壽命。但并聯(lián)的電池連結(jié)方式需搭配特定機制以防止這兩顆電池逆向連結(jié),除此之外這不失為是一種將電池壽命最大化的好方法。
另一個可能性則是拿掉一個電池,如此能讓產(chǎn)品更小且更便宜。也許你會認(rèn)為拿掉一個電池會讓產(chǎn)品電池壽命減半,但了解了下面的說明,您就會明白未必如此。
單電池工作以單電池工作來說,除了要供應(yīng)0.9V的電壓給微控制器之外,有些元器件必須要供應(yīng)1.8V以上的電壓才能正常工作,為了解決此問題,必須另外新增DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器。然而,就電池供電的嵌入式系統(tǒng)而言,該獨立的方法有若干限制。為求將電力消耗降至最低,在不要的時候,DC-DC轉(zhuǎn)換器最好能停止工作。然而,若關(guān)掉DC-DC轉(zhuǎn)換器,則微控制器就失去了供應(yīng)電源,并且無法保持實時時鐘,或是在沒有額外輸入電壓的情況下便無法重新啟動系統(tǒng)。更糟的是,當(dāng)DC-DC失去用途時,微控制器將失去整個RAM的內(nèi)容。然而,假如不停止DC-DC的工作,則即使微控制器是在睡眠模式,系統(tǒng)的待機電流仍會偏高,通常會超過20uA。
除此之外,還必須考慮DC-DC轉(zhuǎn)換器和微控制器的工作效率。大部分的獨立式DC-DC方法都被設(shè)計為傳送至少150mW(在大部分情況下會更多)給負(fù)載時的效率為最高,而在較小的負(fù)載時效率就會差許多。相對而言,一個典型的微控制器從供電端所汲取的電流會小于30mW,而這會造成DC-DC效率僅為50~70%。
所以,是否有其它更加有效的解決方法?也許你可以試試將一個最佳化、低電源的DC-DC轉(zhuǎn)換器和微控制器集成到同一個芯片上。這能立即減少系統(tǒng)成本和電路板空間。假如你還能利用低至0.9V的低輸入電壓維持RAM內(nèi)容并操作實時時鐘,則該微控制器還能控制它自有的供電系統(tǒng)。若你還針對標(biāo)準(zhǔn)型MCU的外圍和功能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,如待機模式、睡眠喚醒及快速代碼執(zhí)行等,以達(dá)到最低的漏電損失和功耗,則該裝置便能支持單電池工作,同時還能擁有與雙電池工作相當(dāng)?shù)碾姵貕勖?/p>
集成式解決方法的優(yōu)點SiliconLabs新近推出的C8051F9xx微控制器系列所采用了集成式解決方法。該方法將高度優(yōu)化的增壓DC-DC轉(zhuǎn)換器集成至微控制器中,其能將0.9~1.5V之間的電池電壓增至1.8~3.3V之間的可編程輸出電壓。升壓后的電壓會被用于微控制器的I/O管腳及外圍。如圖1所示,通過使用一個優(yōu)化的65mWDC-DC轉(zhuǎn)換器,此轉(zhuǎn)換器依然可保持80%至90%的高效率。不僅如此,由于DC-DC轉(zhuǎn)換器能供應(yīng)65mW的完整輸出,因此升壓后的輸出電壓也能被用來供應(yīng)外部元器件所需的電壓。這樣,將能防止與接口連接相關(guān)的潛在問題。如連接至其它較高電壓IC或傳感器、驅(qū)動3V電壓LED,或供應(yīng)足以驅(qū)動LCD或OLED顯示器的電壓。
為進(jìn)一步改善系統(tǒng)效率,此新產(chǎn)品系列的微控制核心和數(shù)字外圍皆是以內(nèi)部統(tǒng)一的1.7V電壓工作,在25MIpS的速度時僅消耗170uA/MHz。圖2為此全新微控制器系列的電源架構(gòu)簡單示意圖。圖2:C8051F9xx電源架構(gòu)功能效率當(dāng)然,不是供應(yīng)高效率的集成式電源供應(yīng)系統(tǒng)就夠了,不同的工作模式和轉(zhuǎn)換次數(shù),以及模擬、數(shù)字和通訊外圍都會影響系統(tǒng)的整體功耗。
低電源微控制器最需注意的技術(shù)規(guī)格就是待機和工作模式功耗的數(shù)據(jù)。如上所述,制造廠商通常會列出每兆赫茲多少毫安(mA/MHz)的數(shù)值來計算該設(shè)備所使用的各種時鐘速度。
有關(guān)這一點,當(dāng)我們關(guān)注有效功耗時,便會直覺的認(rèn)為就平均功耗而言,以高時鐘速率的MCU工作效率比低速率工作的MCU效率要高,這樣的看法通常都是正確的。當(dāng)CMOS處理器的工作性能是在速度較快的情況下工作時,效率通常較高,于是我們便能將更多的精力放在低功耗待機或是關(guān)機模式上。
基于相同的原因,一個設(shè)計優(yōu)良、快速的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)也能供應(yīng)高效率的系統(tǒng)表現(xiàn)。然而,在特定系統(tǒng)中,要較長存取時間的高輸入阻抗可能會限制了ADC的速度。此外,為求電池供電系統(tǒng)中的ADC結(jié)果一致,一般會采用分立式的參考電壓,有時則會集成至微控制器中。然而,若這樣能在幾個百萬分之一秒得到高速ADC,則必須花費數(shù)毫秒等待參考電壓穩(wěn)定,而系統(tǒng)就會花費多余時間在等待參考電壓的穩(wěn)定從而消耗電池的壽命。
SiliconLabs新元器件所使用的ADC和電壓參考模塊供應(yīng)市場上最短的喚醒和處理時間。其高速內(nèi)部電壓參考可在1.7us內(nèi)取得穩(wěn)定,也就是在微控制器被喚醒后就準(zhǔn)備好了,這讓300ksps10位ADC能立刻開始轉(zhuǎn)換。
通常,在混合信號微控制器中,相對簡單的比較器以中斷驅(qū)動,這能喚醒設(shè)備,并能某種程度地獨立于處理器核心之外工作。然而,通過新增ADC模塊一些獨立工作的機會,則可以實現(xiàn)更佳的電源效率。
最新推出的SiliconLabsADC模塊可支持兩種模式,一種是持續(xù)采樣模式執(zhí)行持續(xù)16次的轉(zhuǎn)換,并在沒有微控制器介入的情況下自動累積結(jié)果;另一種為窗口比較器(window-comparator)模式只有在結(jié)果落在特別數(shù)值的窗口時才會中斷微控制器,并能供應(yīng)同步至DC-DC轉(zhuǎn)換器工作周期中最安靜部分的功能。
堿性電池并非唯一的電池選擇針對這些微控制器中的DC-DC轉(zhuǎn)換器,多種單電池的化學(xué)性質(zhì)適合用來供應(yīng)介于1.5和0.9V的電壓。這些電池包括所有AA和AAA型的電池堿性(Alkaline)、鎳氫(NiMH)、鎳鎘(NiCd)和鋰(Lithium)電池為重要的種類,其它還有鋅-空氣(Zinc-Air)和氧化銀(SilverOxide)紐扣電池。
就其它電池類型而言,有些電池輸出是較高的,例如硬幣型鋰離子電池,其電壓介于3.0和2.0V之間。此外,也許還有其它的理由必須用到較高的供應(yīng)電壓。通過將裝置的組態(tài)設(shè)定為雙電池模式,這樣的應(yīng)用仍能利用超低功耗及高效率的優(yōu)點。請再次參考圖2,您會發(fā)現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換器可完全停止工作,讓微控制器能支持介于1.8和3.6V的輸入電壓。
評估系統(tǒng)電池壽命為了讓設(shè)計者能快速評估新設(shè)計的電池壽命,設(shè)計者一般要了解復(fù)雜的技術(shù)規(guī)格,SiliconLabs供應(yīng)了一個簡單、可下載的pC軟件工具,即電池壽命評估器。
無論是任何系統(tǒng)或應(yīng)用,只要輸入設(shè)計人員所選擇的電池類型,以及放電參數(shù),就是圖3所顯示的一些基本功耗參數(shù),則此軟件會針對單、雙串聯(lián),以及雙并聯(lián)電池組態(tài)的整體電池壽命進(jìn)行比較,評估自動放電和存儲壽命。此軟件會輸出一個圖表,顯示電壓和時間的關(guān)系以及電池壽命的評估數(shù)據(jù),如圖4所示。
圖3:電池壽命評估放電工具
圖4:電池壽命評估模擬工具通過使用以及利用測到或估計的數(shù)值去修改已存儲的放電數(shù)據(jù),設(shè)計人員能評估不同的系統(tǒng)特性和電池組態(tài)選擇所造成的長期影響,甚至能比較同類的微控制器解決方法。
總結(jié)通過在微控制器上集成高效率和最佳化的電源器件,現(xiàn)在已能打造一個以單顆電池工作,整體電壓低至0.9V的超低功耗且功能強大的系統(tǒng)單芯片。
SiliconLabs的全新C8051F9xx系列能以單電池方式工作,這在通用型微控制器市場相當(dāng)獨特。在此同時,它還能支持全速25MHz處理、300kspsADC不受限的工作,甚至可重寫此裝置的閃存。值得注意的是,除了以上這些特性外,還包括高達(dá)64KB片上閃存、4KB的RAM,4x4平方毫米元器件封裝。
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