單片機控制的電池管理實(shí)現了成功的互聯(lián)網(wǎng)

　　微控制器將在觀(guān)光噪比(IoT)取向設計大多數因特網(wǎng)主控制元件和這些MCU將有可能被電池供電。電源效率將是實(shí)現可接受的電池壽命至關(guān)重要因此MCU將需要管理的電池使用更精確地比以往任何時(shí)候。許多MCU具有特殊的功能，幫助管理電池電量和使用這些功能優(yōu)化可能使輸贏(yíng)在市場(chǎng)之間的差異。

　　本文將很快回顧一些實(shí)現高效電池的MCU產(chǎn)品設計，并說(shuō)明所需的關(guān)鍵功能，例如使用的設備，這些功能如何提高工作效率和電池壽命。軟件工具，幫助估計電池壽命將用于展示如何在您詳細的設計實(shí)施估計壽命。這極大地有助于設備選擇并且是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)用于創(chuàng )建電源效率的設計。

　　管理電源域

　　電池的MCU實(shí)現時(shí)想我們最初可能，前提是有一個(gè)單一的MCU電源域，流失的電池，我們的目標是管理這個(gè)電源域打造最節能的微控制器實(shí)現成為可能。很快我們就會(huì )發(fā)現這種假設通常是假的，但是，即使是簡(jiǎn)單的MCU通常具有片上多電源域。事實(shí)證明，有多個(gè)電源域可以是一個(gè)很大的優(yōu)勢，當電源效率是最重要的，以我們的設計。具有多個(gè)域可以讓我們更有效地管理和控制電源到MCU的是基于我們需要執行為特定實(shí)現的功能所需的部分。讓我們來(lái)看一個(gè)具體的MCU，看多電源域怎么可能是有利的一個(gè)典型的電池供電的設計。

　　所述STM32F0x1系列MCU(例如，STM32F051K8U6)是STM32 MCU系列入門(mén)級裝置，并且因此是可在基于電池的應用中經(jīng)常使用的裝置的一個(gè)很好的例子。下面的圖1顯示了為STM32F0x1 / X2設備的各種電源域。的VDDA域權力模擬導向塊中的裝置，并包括用于在A(yíng) / D轉換器，D / A轉換器，溫度傳感器，復位發(fā)生器和時(shí)鐘的PLL功能。該VDDIO2電源域可在STM32F04x / 7X / 9x的設備，并提供了一個(gè)獨立的I / O電源軌時(shí)，不同的I / O標準需要得到支持(該電源電壓范圍為1.65?3.6 V，以支付各種I / O標準)。主VDD功率域提供功率，以大量的裝置。這包括在非STM32F04x / 7X / 9X設備的I / O環(huán)，待機電路和喚醒邏輯通?？偸窃?，它也通過(guò)權力1.8 V數字核心(處理器，內存和數字外設)一個(gè)片上穩壓器。

　　意法半導體STM32F0x1 / X2電源圖片

　　圖1：STM32F0x1 / X2電源顯示電池備份域。 (意法半導體提供)

　　最終的電源域，從外部VBAT引腳源，提供電源備份域。備份功能包括一個(gè)低能量的32 kHz晶振時(shí)鐘振蕩器，備份寄存器保持其值，即使電源中斷，給設備的其他部分(方便保存重要的數據，系統復位和電源之間波動(dòng))，而真正的-time時(shí)鐘(RTC)的塊。一個(gè)低電壓檢測器可以自動(dòng)切換到在VBAT輸入時(shí)在VDD信號低于設定的閾值，以簡(jiǎn)化電池備份實(shí)現。

　　這些獨立電源域可以很容易地控制和管理傳送到MCU根據由應用程序所需的動(dòng)作時(shí)的功率。例如，如果設備正在等待的RTC信號它的時(shí)刻開(kāi)始的模擬 - 數字，大部分裝置可以掉電只用電池備份域操作。該RTC超時(shí)可以切換的I / O信號，提醒外部電源管理器件，然后可以打開(kāi)額外的電源域。這可以是一個(gè)非常功率高效的技術(shù)，但需要一個(gè)外部功率和電池管理裝置。

　　在一些應用中STM32F0x1 / X2器件將通過(guò)將裝置的各個(gè)部分進(jìn)入低功率模式，管理的時(shí)鐘頻率和測量電壓源管理電池和電源，以在其自己的密鑰塊，以檢測何時(shí)低電壓電平可能會(huì )影響操作。在這些應用程序的多個(gè)片上電壓域和低功耗工作模式都是關(guān)鍵要求?，F在讓我們看看在低功耗模式，更詳細地了解他們與多個(gè)芯片的電源域是如何工作的進(jìn)一步提高電池的實(shí)現方案的電源效率。

　　為了幫助工程師設計開(kāi)發(fā)意法半導體提供的STM32F0系列的產(chǎn)品培訓模塊概述。

　　低功耗MCU運行模式延長(cháng)電源效率

　　幾乎所有的MCU現在提供各種各樣的減少通過(guò)限制工作頻率和/或重點(diǎn)區塊的可操作性操作電源的低功耗工作模式。這些模式有各種各樣的名字，但它們的功能往往是非常相似的。飛思卡爾MCU MCF51QE系列的低功耗工作模式，你應該尋找時(shí)，電源效率是您的應用程序的關(guān)鍵類(lèi)型的一個(gè)很好的例子。甲狀態(tài)轉移圖和簡(jiǎn)單的功率調節表示于圖2來(lái)說(shuō)明這些模式如何可以用來(lái)提高功率效率。該運行模式不限制經(jīng)營(yíng)和監管工作在全開(kāi)狀態(tài)。在其它模式中的各種塊進(jìn)行操作使用較低的功率通過(guò)關(guān)閉電源鍵元件或通過(guò)降低工作頻率。例如，在等待模式中的CPU關(guān)閉以節省電力，但外設在它們的全時(shí)鐘速率操作。這節省了功率時(shí)不需要CPU的運行，但定時(shí)器或通信外圍設備必須繼續工作。通常，這些外設可以通過(guò)中斷剛睡醒的CPU當CPU是必需的。到關(guān)閉CPU的能力可以節省一個(gè)顯著(zhù)量運行功率的由于CPU，操作時(shí)，采用多數所述MCU功率預算。每個(gè)低功率模式的更詳細的說(shuō)明在下面的部分中提供。

　　飛思卡爾MCF51QE128低功耗模式的圖像

　　圖2：飛思卡爾MCF51QE128低功耗模式。 (飛思卡爾提供)

　　運行模式 - CPU時(shí)鐘可以全速運行，內部供應是充分的監管。

　　LPrun模式 - CPU和外設時(shí)鐘被限制為250 kHz的CPU時(shí)鐘和125 kHz的總線(xiàn)時(shí)鐘最大的內部供應處于軟監管。

　　等待模式 - CPU關(guān)閉以節省電能;外設時(shí)鐘正常運行，內部穩壓器正常工作。

　　LPwait模式 - CPU關(guān)閉以節省電能;外設時(shí)鐘是在低速(125 kHz的最大值)和內部穩壓器在寬松的監管模式下運行運行。

　　停止模式 - 系統(CPU和外設)時(shí)鐘停止。

　　STOP4 - 所有的內部電路供電(全調節模式)和內部時(shí)鐘源仍處于最高頻率最快的恢復。

　　停止3 - 所有的內部電路松散的監管和時(shí)鐘源的最低值(125 kHz的最大值)，提供用電和恢復速度之間的良好平衡。

　　停止2 - 內部電路的部分電源關(guān)閉; RAM內容被保留。在低功耗模式，此設備。需要復位從停止2模式恢復。

　　在運行，等待和停止模式普遍存在于現代MCU和非常功耗節能設計提供了依據。尤其是，應用程序，只定期使用主CPU - 也許只進(jìn)行平均大量傳感器讀數或管理接收到的數據緩沖器，當緩沖器接近充滿(mǎn) - 可以通過(guò)關(guān)閉CPU和讓智能節省功率的戲劇性量外圍設備處理盡可能多的算法成為可能。等待和停止之間的區別通常體現在響應時(shí)間，因為它通常需要更長(cháng)的時(shí)間來(lái)塊從低功耗狀態(tài)通電(即減少一個(gè)典型的停止模式下，靜態(tài)電流)，而不是刪除一個(gè)時(shí)鐘門(mén)控信號一個(gè)塊(即只減少動(dòng)態(tài)電流在典型等待模式)。

　　可以在MCF51QE128的LPrun和LPwait模式提供了另一種技術(shù)，通過(guò)運行在CPU和/或外圍設備，以降低功耗低得多的頻率比正常。當操作不容易被周期性地執行，而且必須連續運行，而不必在高速運行時(shí)非常有用。例如，通信數據包可能以高速在正常運行模式中接收，但LPrun可以用來(lái)處理數據。這是特別有用的，如果處理時(shí)間是依賴(lài)于數據的，并且不能經(jīng)由周期性定時(shí)器中斷很容易地進(jìn)行管理。一旦數據被處理時(shí)，LPwait狀態(tài)可以進(jìn)入等待，直到下一數據分組需要被接收。

　　結合使用不同的電源域和低功耗模式允許多種有效實(shí)現。尋找各種時(shí)鐘頻率，低功耗模式和狀態(tài)轉換的最佳組合可以是一個(gè)艱巨的運動(dòng)，通常需要事先對具體實(shí)施工作要做，或者你可能會(huì )發(fā)現使用已選定的設備并影響項目進(jìn)度不能滿(mǎn)足你的操作要求顯著(zhù)。理想情況下，你會(huì )希望能夠模擬各種運行功率水平，估計電池壽命為目標的應用程序。幸運的是(或者也許是因為他們明白這一點(diǎn)的難度)的MCU廠(chǎng)商都創(chuàng )造了一些評估工具，我們可以用它來(lái)解決這個(gè)難題。

　　軟件工具幫助評估電力需求和電池壽命

　　其中一個(gè)使用的工具越容易從Microchip XLP電池壽命估算(BLE)1。這個(gè)免費下載的工具，與任何XLP單片機工程估算功耗在整個(gè)應用程序。它也可以被用于獲取的功耗為您的XLP MCU設計內鍵例程詳細估計。下面的圖3顯示了BLE的圖形用戶(hù)界面(GUI)。您只需選擇您的設備，你的電壓和溫度，然后你的目標電池(步驟1至3的GUI)。然后，您可以指定關(guān)鍵業(yè)務(wù)應用程序，定義工作頻率，該函數使用模式下，時(shí)間的功能被激活和各種模塊(如ADC，UART，定時(shí)器等)功能時(shí)有效。 (在下面的例子中有一個(gè)在運行模式在16兆赫，兩種休眠模式功能并在1 MHz的運行模式功能的功能)的軟件自動(dòng)確定在每個(gè)功能所使用的電流，然后報告所估計的電池壽命該設計。在這個(gè)例子中，電池的壽命估計在不到200天。一個(gè)完整的文本文件，報告可以生成保存程序設置和結果。一個(gè)例子示于圖3的底部。

　　將Microchip XLP電池壽命估算程序映像

　　圖3：Microchip的XLP電池壽命估算程序 - GUI和報告。 (Microchip的提供)

　　使用的電池壽命估算程序可以很容易地找出關(guān)鍵程序和您的應用程序使用最多的功率。這使您可以調整設計，同時(shí)嘗試不同的設備，以找到合適的實(shí)現。這樣做之前，詳細的編碼和電路板設計可以節省你浪費顯著(zhù)努力探索的選項，將無(wú)法實(shí)現，你需要一個(gè)成功的設計的電源效率。

　　一旦你有信心，你的選擇，你可以再取使用評估套件，如Microchip的PIC24F評估和演示工具包的下一個(gè)步驟。通常，這些套件包括了豐富的示例代碼，參考設計和豐富的文檔，可以很容易編寫(xiě)你的關(guān)鍵程序和測量實(shí)際的功率水平，你會(huì )在全面實(shí)施得到。

　　新的低功耗技術(shù)的高效電池的實(shí)現方案

　　MCU廠(chǎng)商也在推動(dòng)技術(shù)信封不斷創(chuàng )造從頭開(kāi)始新的低功耗功能。德州儀器創(chuàng )造低功耗面向MCU的使用新的非易失性存儲器的鐵電RAM或FRAM，它結合了速度，靈活性一個(gè)家庭，和SRAM的耐力與閃光燈的穩定性和可靠性，都在較低的總功率消耗。 FRAM存儲器具有超低功耗和快速(每字125納秒)寫(xiě)道。 FRAM可以用作程序，數據，或存儲到簡(jiǎn)化應用開(kāi)發(fā)。 FRAM的超低功耗，非易失性使其成為電池供電的MCU應用需要，如數據匯總和傳感器預處理顯著(zhù)存儲訪(fǎng)問(wèn)和計算能力的絕佳選擇。

　　該MSP430FR微控制器系列還具有關(guān)鍵的低功耗模式，智能外設，以及先進(jìn)的處理能力。圖4中的框圖顯示所有關(guān)鍵MCU功能的MSP430FR5731 / 5/9的設備可用。還檢查了TI產(chǎn)品培訓模塊，涵蓋了TI MSP430FR MCU系列的特性，并展示了如何在FRAM技術(shù)為各種應用顯著(zhù)的低功耗優(yōu)勢。

　　德州儀器MSP430FR5731 / 5/9框圖圖片

　　圖4：德州儀器MSP430FR5731 / 5/9框圖。 (德州儀器提供)

　　結論

　　很多物聯(lián)網(wǎng)應用程序將使用電池供電的MCU實(shí)現和電源效率將是成功的產(chǎn)品是至關(guān)重要的。選擇合適的MCU為您實(shí)現更容易，當你使用一個(gè)功率估計工具來(lái)選擇合適的設備為您的目標應用程序。