如果您的設(shè)計無需借助外部升壓轉(zhuǎn)換器即可從消耗單節(jié)電池中受益，請考慮針對低電壓操作和超低功耗進行優(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)能加總起來時，您會遠遠領(lǐng)先于使用分立解決方案。

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

　　例如，通過使用單節(jié)電池運行，您可以用類似外形尺寸的較大單節(jié)電池替換兩個較小的電池，同時延長產(chǎn)品電池壽命?；蛘?，您可以使用兩個現(xiàn)有電池并將它們并聯(lián)而不是串聯(lián)連接，從而再次顯著延長產(chǎn)品電池壽命。這種并聯(lián)電池連接確實需要一種機械裝置來防止兩個電池的反向連接，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電池，從而使您的產(chǎn)品更小更便宜。您可能會想象卸下電池會使產(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。

　　從單個單元運行

　　當(dāng)然，可以使用獨立的 DC/DC 升壓轉(zhuǎn)換器創(chuàng)建一個系統(tǒng)，該轉(zhuǎn)換器可以從 0.9 V 運行標準 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 將沒有電源電壓，并且在沒有某種外部輸入的情況下將無法維持實時時鐘或重新啟動系統(tǒng)。更糟糕的是，當(dāng) DC/DC 轉(zhuǎn)換器被禁用時，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)獨立的 DC/DC 解決方案設(shè)計為在向負載提供至少 150 mW（在大多數(shù)情況下，甚至更多）時效率最高，而在負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 的低輸入電壓運行實時時鐘的能力，那么 MCU 可以控制自己的電源系統(tǒng)。如果您還要優(yōu)化標準 MCU 外設(shè)和功能，包括待機模式、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，同時仍然有電池壽命可與雙電池實現(xiàn)相媲美。

　　集成解決方案的優(yōu)勢

　　這描述了Silicon Labs為其C8051F9xx MCU系列采用的方法。具體來說，該器件在 MCU 中集成了一個高度優(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 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題——以 3 V 驅(qū)動藍色 LED，甚至提供足夠的電壓來驅(qū)動 LCD 或 OLED 顯示器。

　　為了進一步提高系統(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 25 MIPS 的速度下僅消耗 170 uA/MHz。圖 2 簡要概述了這個新 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間，以及模擬、數(shù)字和通信外設(shè)都會對系統(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)包括待機和活動模式功耗數(shù)據(jù)。如上所述，制造商通常會引用每兆赫茲 （mA/MHz） 的毫安數(shù)來說明設(shè)備使用的不同時鐘速度。

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

　　出于同樣的原因，精心設(shè)計的快速 ADC 也可以提供高效的系統(tǒng)測量。然而，給定系統(tǒng)中 ADC 的速度可能會受到需要較長采集時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，通常使用單獨的參考電壓，并且有時將其集成到 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穩(wěn)定下來，系統(tǒng)的效率就會受到影響。

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

　　在混合信號 MCU 中，相對簡單的模擬比較器通常由中斷驅(qū)動，能夠喚醒設(shè)備并在某種程度上獨立于處理器內(nèi)核運行。但是，還可以通過向 ADC 模塊添加某種程度的“自主”操作來實現(xiàn)進一步的功率效率。

　　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)換并自動累積結(jié)果而無需 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，對于其他電池類型，標稱電池輸出更高——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。

　　估計系統(tǒng)電池壽命

　　讓設(shè)計人員能夠輕松地估計電池壽命新設(shè)計——通常使用復(fù)雜的電子表格來完成的任務(wù)——Silicon Labs 提供了一個簡單、免費、可下載的 PC 實用程序，即“電池壽命估算器”。

　　對于任何系統(tǒng)或應(yīng)用，當(dāng)設(shè)計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，軟件會比較單、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。軟件的輸出是一個圖表，顯示電池電壓與時間的關(guān)系以及電池壽命的數(shù)值估計，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。

　　通過使用測量值或估計值并修改保存的放電曲線，設(shè)計人員可以通過選擇電池配置來評估不同系統(tǒng)特性的長期影響，甚至可以比較具有競爭力的 MCU 解決方案。

　　總結(jié)

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

　　Silicon Labs 的新 C8051F9xx 系列在通用 MCU 市場上是獨一無二的，能夠以這種方式運行。它同時支持全速 25 MHz 處理、300 ksps ADC 的無限制操作，甚至重寫器件的閃存程序存儲器。盡管提供了所有這些功能以及高達 64 KB 的板載閃存程序存儲器和 4 KB 的 RAM，但這些器件的封裝尺寸僅為 4 x 4 mm。