單電池微控制器工作的優(yōu)點(diǎn)

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(lái)提供外部元器件所需的電壓。這樣，將能避免與接口連接相關(guān)的潛在問題。如連接至其它較高電壓IC或傳感器、驅(qū)動(dòng)3V電壓LED，或提供足以驅(qū)動(dòng)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(shí)僅消耗170uA/MHz。圖2為此全新微控制器系列的電源架構(gòu)簡(jiǎn)單示意圖。

圖2：C8051F9xx電源架構(gòu)

功能效率

當(dāng)然，不是提供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(huì)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(jī)和工作模式功耗的數(shù)據(jù)。如上所述，制造廠商通常會(huì)列出每兆赫茲多少毫安(mA/MHz)的數(shù)值來(lái)計(jì)算該設(shè)備所使用的各種時(shí)鐘速度。

關(guān)于這一點(diǎn)，當(dāng)我們關(guān)注有效功耗時(shí)，便會(huì)直覺的認(rèn)為就平均功耗而言，以高時(shí)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(shí)，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(jī)或是關(guān)機(jī)模式上。

基于相同的原因，一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良、快速的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)也能提供高效率的系統(tǒng)表現(xiàn)。然而，在特定系統(tǒng)中，需要較長(zhǎng)存取時(shí)間的高輸入阻抗可能會(huì)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(huì)采用分立式的參考電壓，有時(shí)則會(huì)集成至微控制器中。然而，若這樣能在幾個(gè)百萬(wàn)分之一秒得到高速ADC，則必須花費(fèi)數(shù)毫秒等待參考電壓穩(wěn)定，而系統(tǒng)就會(huì)花費(fèi)多余時(shí)間在等待參考電壓的穩(wěn)定從而消耗電池的壽命。

Silicon Labs新元器件所使用的ADC和電壓參考模塊提供市場(chǎng)上最短的喚醒和處理時(shí)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300 ksps 10位ADC能立刻開始轉(zhuǎn)換。

通常，在混合信號(hào)微控制器中，相對(duì)簡(jiǎn)單的比較器以中斷驅(qū)動(dòng)，這能喚醒設(shè)備，并能某種程度地獨(dú)立于處理器核心之外工作。然而，通過增加ADC模塊一些“獨(dú)立”工作的機(jī)會(huì)，則可以實(shí)現(xiàn)更佳的電源效率。

最新推出的Silicon Labs ADC模塊可支持兩種模式，一種是連續(xù)采樣模式——執(zhí)行連續(xù)16次的轉(zhuǎn)換，并在沒有微控制器介入的情況下自動(dòng)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(shí)才會(huì)中斷微控制器，并能提供同步至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(duì)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(lái)提供介于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)電池為主要的種類，其它還有鋅-空氣(Zinc-Air)和氧化銀(Silver Oxide)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(diǎn)。請(qǐng)?jiān)俅螀⒖紙D2，您會(huì)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(píng)估系統(tǒng)電池壽命

為了讓設(shè)計(jì)者能快速評(píng)估新設(shè)計(jì)的電池壽命，設(shè)計(jì)者一般需要了解復(fù)雜的技術(shù)規(guī)格，Silicon Labs提供了一個(gè)簡(jiǎn)單、可下載的PC軟件工具，即“電池壽命評(píng)估器”。

無(wú)論是任何系統(tǒng)或應(yīng)用，只要輸入設(shè)計(jì)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(huì)針對(duì)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(píng)估自動(dòng)放電和存儲(chǔ)壽命。此軟件會(huì)輸出一個(gè)圖表，顯示電壓和時(shí)間的關(guān)系以及電池壽命的評(píng)估數(shù)據(jù)，如圖4所示。

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圖3：電池壽命評(píng)估放電工具 

圖4：電池壽命評(píng)估模擬工具

通過使用以及利用測(cè)到或估計(jì)的數(shù)值去修改已存儲(chǔ)的“放電數(shù)據(jù)”，設(shè)計(jì)人員能評(píng)估不同的系統(tǒng)特性和電池組態(tài)選擇所造成的長(zhǎng)期影響，甚至能比較同類的微控制器解決方案。

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(gè)以單顆電池工作，整體電壓低至0.9V的超低功耗且功能強(qiáng)大的系統(tǒng)單芯片。

Silicon Labs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(chǎng)相當(dāng)獨(dú)特。在此同時(shí)，它還能支持全速25MHz處理、300ksps ADC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。