低功耗MCU優(yōu)化電池供電系統設計

對于嵌入式系統，尤其是電池供電系統(如便攜電子設備、計量應用和醫療設備等)，降低系統功耗、延長(cháng)電池的壽命已成為系統設計人員的關(guān)鍵目標。在以單片機為核心的嵌入式應用中，低功耗MCU需求也在不斷攀升。為了設計出最佳系統，研發(fā)人員必須了解MCU所能提供的節能功能，以便利用這些功能設計出節能系統。在本屆IIC-China技術(shù)研討會(huì )上，Microchip公司針對電池供電系統的低功耗MCU技術(shù)及其應用策略備受關(guān)注。

影響功耗的因素

眾所周知，MCU的功耗主要包括待機功耗(內核關(guān)閉、處于休眠模式下的功耗)和動(dòng)態(tài)功耗(執行代碼時(shí)的功耗)。隨著(zhù)工藝節點(diǎn)不斷演進(jìn)，典型MCU中的晶體管數量迅猛增長(cháng)，待機電流(晶體管漏電流)也呈比例增長(cháng)；動(dòng)態(tài)功耗則受到電池電壓、頻率、負載模塊和外設（時(shí)鐘樹(shù)和組合邏輯等）以及運行時(shí)間延長(cháng)等因素的影響。

“針對不同的模式，可以采取不同的低功耗策略。”Microchip公司市場(chǎng)開(kāi)發(fā)經(jīng)理余軍苗介紹，在待機模式下可采?。?）降低待機電流，利用新的深度休眠模式，消除晶體管漏電流。2）使用新的低功耗WDT、RTCC和BOR電路。運行模式下采?。?）縮短運行時(shí)間。提高指令集效率，確保MCU高效執行代碼。單周期指令越多，意味著(zhù)代碼執行時(shí)間越短，最終使得運行功耗越低。2）充分用盡電池，確保MCU能最大限度用盡電池的電能；3）減少動(dòng)態(tài)功耗。

此外，影響功耗的其他因素包括：1）可編程閃存：編程電壓越低，應用壽命越長(cháng)；2）靈活的喚醒源：確保喚醒源具有應用所需的延時(shí)長(cháng)度。休眠時(shí)間越長(cháng)，功耗越低；3）穩定時(shí)間：?jiǎn)拘褧r(shí)外圍模擬器件的穩定時(shí)間；4)模擬器件的最低工作電壓：工作電壓越低，應用壽命越長(cháng)；例如，最低工作電壓從2.3V降到 1.8V，就意味著(zhù)增加13%的電池壽命。

綜上所述，要延長(cháng)電池壽命，可以從這幾點(diǎn)入手：確保所用外設在低電壓下工作；充分利用電池；執行時(shí)間短；通過(guò)深度休眠模式降低待機功耗。

nanoWatt XLP MCU

對于PIC單片機，最初的低功耗標準就是指納瓦技術(shù)，自2003年以來(lái)，該技術(shù)已成為所有新興PIC單片機的標準。納瓦技術(shù)的最新變化統稱(chēng)為“nanoWatt XLP 技術(shù)”，新版本顯著(zhù)降低了功耗。nanoWatt XLP技術(shù)的三大突出優(yōu)勢包括：休眠電流可低至20nA；實(shí)時(shí)時(shí)鐘電流可低至500nA；看門(mén)狗定時(shí)器電流可低至400nA。

“大多數低功耗應用都要求具備這幾個(gè)特性中的一個(gè)或多個(gè)。而nanoWatt XLP技術(shù)在多個(gè)系列器件中整合了上述三個(gè)優(yōu)勢。” 余軍苗介紹，“Microchip采用nanoWatt XLP技術(shù)的PIC MCU為設計人員提供了更大的靈活性，使他們的產(chǎn)品可以在耗能更少的情況下工作時(shí)間更長(cháng)，即更換電池的次數更少。”


圖1：PIC16/18F eXtreme低功耗MCU路線(xiàn)圖。

例如，包括四種型號的 16位PIC24F16KA MCU系列，其典型休眠電流低至20nA，具備集成的EEPROM存儲器，體積小巧，采用低引腳數(20引腳和28引腳)封裝。據稱(chēng)，該系列MCU可使應用連續運行20年以上而無(wú)需更換電池。而含六種型號的PIC18F46J50 8位MCU系列的典型休眠電流更可低至20nA以下。

PIC18F46J50 系列是低電壓通用串行總線(xiàn)（USB）單片機產(chǎn)品系列，在保留所有PIC18 單片機的主要傳統優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還具有高性?xún)r(jià)比優(yōu)勢。這些器件具有針對USB及mTouch觸摸傳感解決方案的各種片上外設，為設計人員提供了豐富的、可兼容的低功耗遷移路徑，功能豐富且功耗極低，非常適用于各種電池供電或電力有限的應用。在集成了EEPROM、振蕩器、USB和電容式觸摸傳感外設的同時(shí)，還節省了整個(gè)系統的功耗。“憑借超低休眠電流和多種喚醒功能，Microchip的nanoWatt XLP單片機的性能大大超出了同類(lèi)競爭產(chǎn)品。”余軍苗介紹，“在未來(lái)幾年，Microchip將陸續推出更多采用nanoWatt XLP的芯片。”


圖2：PIC24F eXtreme低功耗MCU路線(xiàn)圖。