MCU 將成為大多數(shù)面向物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 的設(shè)計中的主要控制元素，并且這些 MCU 可能由電池供電。電源效率對于實現(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決定市場的成敗。

　　本文將快速回顧實現(xiàn)基于電池的高效 MCU 設(shè)計所需的一些關(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。幫助估計電池壽命的軟件工具將用于展示如何在詳細(xì)設(shè)計實施之前估計壽命。這極大地有助于器件選擇，并且是創(chuàng)建節(jié)能設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。

　　管理電源域

　　在考慮基于電池的 MCU 實現(xiàn)時，我們最初可能會假設(shè)有一個 MCU 電源域，用電池供電，我們的目標(biāo)是管理這個電源域，以創(chuàng)建盡可能節(jié)能的 MCU 實現(xiàn)。然而，很快我們就會發(fā)現(xiàn)這種假設(shè)通常是錯誤的，即使是簡單的 MCU 通常也有多個片上電源域。事實證明，當(dāng)電源效率對我們的設(shè)計至關(guān)重要時，擁有多個電源域可能是一個很大的優(yōu)勢。擁有多個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域為器件中面向模擬的模塊供電，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)時提供獨立的 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電源域為大部分設(shè)備供電。這包括非 STM32F04x/7x/9x 器件上的 I/O 環(huán)、待機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引腳的最終電源域為備用域供電。備份功能包括一個低能耗的 32 KHz 晶體時鐘振蕩器，即使在設(shè)備的其余部分?jǐn)嚯姇r也能保持其值的備份寄存器（便于在系統(tǒng)復(fù)位和電源波動之間保存重要數(shù)據(jù)），以及真正的-時鐘（RTC）塊。當(dāng) V DD信號低于設(shè)定閾值時，低壓檢測器可以自動切換到 V BAT輸入，以簡化電池備份的實施。

　　這些獨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)換的時間信號，則可以在僅電池備用域運行的情況下關(guān)閉大部分設(shè)備。RTC 超時可以切換 I/O 信號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部分置于低功耗模式、管理時鐘頻率和測量電壓源以檢測低電壓電平何時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多個片上電源域一起工作，以進(jìn)一步提高基于電池的實現(xiàn)的電源效率。

　　為了幫助工程師進(jìn)行設(shè)計開發(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 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)電源效率對您的應(yīng)用至關(guān)重要時，MCU 系列是您應(yīng)該尋找的低功耗工作模式類型的一個很好的例子。圖 2 顯示了狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和簡單的功率調(diào)節(jié)表，以說明如何使用這些模式來提高功率效率。運行模式不限制操作，調(diào)節(jié)器在完全開啟狀態(tài)下運行。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)以全時鐘速率運行。當(dāng)不需要 CPU 操作但定時器或通信外設(shè)必須繼續(xù)操作時，這可以節(jié)省電力。通常這些外設(shè)可以在需要 CPU 時通過中斷喚醒 CPU。關(guān)閉 CPU 的能力可以節(jié)省大量的運行功率，因為?? CPU 在運行時會使用 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）

　　運行模式 — CPU 時鐘可以全速運行，內(nèi)部電源完全調(diào)節(jié)。

　　LPrun 模式 — CPU 和外設(shè)時鐘限制為 250 kHz CPU 時鐘和 125 kHz 總線時鐘最大值，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)時鐘正在運行并保持完全調(diào)節(jié)。

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

　　停止模式 — 系統(tǒng)（CPU 和外設(shè)）時鐘停止。

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

　　Stop3 — 所有內(nèi)部電路都松散調(diào)節(jié)，時鐘源處于最小值（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)時間上，因為從低功耗狀態(tài)（這會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的時間，而不是移除時鐘門控信號以啟動一個塊（僅減少典型等待模式下的動態(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)運行但不需要高速運行時，這很有用。例如，在正常運行模式下可能會高速接收通信數(shù)據(jù)包，但可以使用 LPrun 來處理數(shù)據(jù)。如果處理時間取決于數(shù)據(jù)并且不能通過周期性定時器中斷輕松管理，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，可以實現(xiàn)多種高效實現(xiàn)。找到各種時鐘頻率、低功耗模式和狀態(tài)轉(zhuǎn)換的最佳組合可能是一項艱巨的任務(wù)，通常需要在詳細(xì)實施之前完成，否則您可能會發(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)行建模并估計目標(biāo)應(yīng)用的電池壽命。幸運的是（或者可能是因為他們理解這個困難）MCU 制造商已經(jīng)創(chuàng)建了一些我們可以用來解決這個難題的估計工具。

　　軟件工具有助于估計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. 這款可免費下載的工具可與任何 XLP MCU 配合使用，以估算整個應(yīng)用的功耗。它還可用于獲取 XLP MCU 設(shè)計中關(guān)鍵例程的功耗的詳細(xì)估計值。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)激活的時間以及函數(shù)期間激活的各種模塊（如 ADC、UART、定時器等）。（在下面的示例中，在 16 MHz 的運行模式中有一個功能，兩個睡眠模式功能和一個 1 MHz 的運行模式功能）軟件自動確定每個功能中使用的電流，然后報告設(shè)計的估計電池壽命。在示例中，電池壽命估計為不到 200 天?？梢陨赏暾奈谋疚募蟾嬉员４娉绦蛟O(shè)置和結(jié)果。圖 3 底部顯示了一個示例。

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

　　使用電池壽命估算器程序可以輕松識別關(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，同時嘗試不同的設(shè)備以找到正確的實現(xiàn)。在詳細(xì)的編碼和電路板設(shè)計之前執(zhí)行此操作可以避免您浪費大量精力來探索無法提供成功設(shè)計所需的電源效率的選項。

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

　　用于基于電池的高效實施的新低功耗技術(shù)

　　MCU 制造商也在推動技術(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，以簡化應(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訪問和計算能力（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。

　　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 實施方案，電源效率對于成功的產(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，為您的實施選擇正確的 MCU 會更容易。