優(yōu)化面向超低功耗設計的微控制器功效

圖3. 本圖所示為一個(gè)升壓轉換器在不同負載下的典型輸出電壓曲線(xiàn)。在輕載或空載時(shí)(綠色曲線(xiàn))，測得的轉換時(shí)間(上升電壓)為數百微秒，而閑置時(shí)間(下降電壓)為數秒。要注意的是這種變化是發(fā)生在MCU處于省電模式或功耗極小時(shí)。在主要工作模式，即有源調節模式下，輸出電壓仍保持穩定(3V +/- 100mV)(紅色曲線(xiàn))。

此外，在輕載或空載時(shí)，調節模式下的轉換器將周期性達到它的占空比低限。通過(guò)自動(dòng)切換到低電流模式，轉換器便停止轉換，耗電量被降至最小，但同時(shí)仍然保持有源狀態(tài)(見(jiàn)圖3)。當MCU處于斷電或功耗極小時(shí)，輸出電壓便會(huì )出現這種變化。而在主要工作模式，即有源調節模式(Active Regulated Mode)下，輸出電壓仍保持穩定(3V +/- 100mV)。另外需注意的是，典型轉換電壓會(huì )隨電池能量的消耗而變化(見(jiàn)圖4)。調節器是一個(gè)獨立的子系統，無(wú)需MCU的主動(dòng)管理。不過(guò)，對于那些需要更直接地控制升壓調節器的設計人員而言，某些特性可利用軟件來(lái)加以控制。

由于實(shí)際效率取決于應用，故集成所有與功率調節相關(guān)的無(wú)源器件毫無(wú)意義。例如，成本是某些市場(chǎng)的主導因素，而在另一些市場(chǎng)，最重要的推動(dòng)力卻可能是使用壽命。與其被迫采用針對其它市場(chǎng)而優(yōu)化的無(wú)源器件，或所有應用都還算滿(mǎn)意但非最佳的產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)人員還不如選擇能夠給自己的應用提供最佳平衡的的無(wú)源元件。而這只需區區幾個(gè)元件就可以做到(即一個(gè)電感、兩個(gè)旁路電容和一個(gè)肖特基二極管)。

智能電池管理

準確估算剩余能量，是最大化電視電量使用率的重要因素。譬如，充電電池需要在設置范圍內進(jìn)行嚴密監控和充電控制，以確保電池的安全使用，并獲得盡可能長(cháng)的使用壽命。剩余電荷的估算越準確，電池就越能夠接近極限容量來(lái)安全充放電，而不必擔心因充放電過(guò)度對電池造成損害。

雖然更精密的電池充放電控制意味著(zhù)電池有更多可用能量，從而使用時(shí)間更長(cháng)，但這種控制方式缺乏靈活性，而且可能?chē)乐叵拗铺幚砥髂軌蛑С值碾姵丶夹g(shù)。例如，不同化學(xué)性質(zhì)的電池具有不同的安全充放電電壓閾值，如果MCU有固定閾值或在閾值配置方式上有所限制，那么其就會(huì )成為MCU有效管理的電池技術(shù)方面的障礙。因此，開(kāi)發(fā)人員可能會(huì )被迫根據所選用的MCU來(lái)使用特定電池，而不是選擇最適合的電池技術(shù)。

對于必須替換電池的應用，支持充電電池的靈活性至關(guān)重要。充電電池的閾值相比一次性電池大為不同，如果消耗過(guò)度，可能會(huì )損害其總體充電容量。由此造成的使用時(shí)間縮短，極可能被歸類(lèi)為設備故障而不是電池故障。ATtiny43U的固件能夠利用內建ADC來(lái)監控電池電壓，并決定什么時(shí)候讓設備進(jìn)入停機模式(Stop Mode)，從而徹底消耗一次性電池的電量，同時(shí)確保充電電池在多個(gè)充電周期上都能夠獲得最長(cháng)的使用時(shí)間。

雖然自動(dòng)關(guān)斷處理器可以保護充電電池，但是從應用的角度來(lái)看，突然斷電可能是不可接受的。例如，突然關(guān)斷相機會(huì )致使鏡頭暴露在外，令鏡頭容易受損。因此，設計人員可以通過(guò)一個(gè)重要的功率管理元件來(lái)準確估算剩余的能量。比如，利用ATtiny43U的10位ADC每隔一定時(shí)間對電池電壓進(jìn)行測量，就可以達到前述目的。采用這種方法，就有機會(huì )在設備關(guān)斷之前，讓各個(gè)器件進(jìn)入安全配置。

在應用級實(shí)現高功效

許多應用都會(huì )加入一個(gè)MCU作為主機處理器的輔助處理器，用于卸載顯示器刷新、鍵盤(pán)監控、小型電機工作以及智能電池管理等任務(wù)。采用輔助處理器的優(yōu)勢在于，MCU能夠以高于應用處理器的功效來(lái)執行這些功能。譬如，一個(gè)監控鍵盤(pán)的應用處理器必須被頻繁喚醒來(lái)執行任務(wù)。而因為MCU在工作模式下的功耗小于應用處理器，所以采用MCU來(lái)監控鍵盤(pán)及更新顯示器便可以使應用處理器更長(cháng)時(shí)間地連續處于睡眠狀態(tài)，從而節省可觀(guān)的能量。

當然，處理效率也對功效有重大影響，因為MCU每個(gè)周期能執行的工作越多，它進(jìn)入睡眠模式的速度也就越快。而提高時(shí)鐘頻率會(huì )增加功耗，故效率更高的MCU架構能夠支持在單個(gè)周期內一個(gè)動(dòng)態(tài)工作頻率和執行指令，并執行外設自動(dòng)化管理。

超低功耗MCU還需要多種睡眠模式。例如，一個(gè)傳感器應用可以監控溫度，直到它超過(guò)閾值。如果在監控期間整個(gè)MCU處于工作模式的話(huà)，所消耗的能量會(huì )比實(shí)際需要的更多。支持不同的睡眠模式，允許開(kāi)發(fā)人員關(guān)斷設備的不同部分，實(shí)現更佳的節能效果(見(jiàn)表1)。

表1. 超低功耗MCU具有多種睡眠模式，因此在僅需有限功能而無(wú)需整個(gè)MCU以大功率工作模式工作的時(shí)候，開(kāi)發(fā)人員可在不同的低功耗閑置模式下配置一個(gè)超低功耗MCU。

ATtiny43U架構中有數種架構創(chuàng )新技術(shù)，可供開(kāi)發(fā)人員用于提高工作模式和睡眠模式下的功效：

精確的電源電壓：雖然MCU可以接受單電壓電源，但在架構上它可能有多個(gè)不同的內部電壓。這樣的設計方法帶來(lái)了低功效，因為動(dòng)態(tài)功率高于預期。若所有模擬外設、閃存、EEPROM及RAM都工作在同一個(gè)電壓下時(shí)，設備的總體功耗便會(huì )降低。

泄漏電流最小化：溫度、電源電壓和工藝技術(shù)都會(huì )影響泄漏電流。超低功耗MCU不是對現有架構進(jìn)行修改，使其能夠在更低電壓之下工作，而是必須以功效為理念從頭開(kāi)始設計，而愛(ài)特梅爾的picoPower AVR微控制器系列就是一個(gè)示例。