技術(shù)專(zhuān)家支招：如何設計低功耗和高性能的工業(yè)應用

　　作者：Microchip公司高級單片機架構部應用工程經(jīng)理David Otten / Microchip公司醫療產(chǎn)品部資深應用工程師Joel Mach

　　工業(yè)細分市場(chǎng)中的便攜式應用要求低功耗、可靠和高性能。這類(lèi)工業(yè)應用的例子包括條形碼讀碼器、裝運數據記錄器、高速公路跟蹤設備、降噪耳機、小型電機控制以及電池充電器。所有需要電池供電、零污染或移動(dòng)性的設備都具有相似的設計要求。

　　設計人員如何應對這些挑戰？新一代的穩定可靠、功能豐富且經(jīng)濟高效的單片機已經(jīng)上市。本文將介紹最新的單片機特性和一些設計注意事項，以幫助設計人員應對工業(yè)應用中的這些要求。

　　使單片機在盡可能長(cháng)的時(shí)間內保持在最低功耗狀態(tài)是最大化電池壽命的主要目標。運行速度快、喚醒時(shí)間短也就意味著(zhù)平均功耗低，如圖1所示。單片機在高功率狀態(tài)下完成工作的速度越快，保持低功耗狀態(tài)的時(shí)間就越長(cháng)。

　　
圖1 MCU電流消耗—時(shí)間曲線(xiàn)

　　但是，要延長(cháng)電池壽命，降低功耗只完成了一半，還應充分利用電池。為此，采用支持低電壓工作的單片機非常有價(jià)值。圖2顯示了Energizer 提供的堿性電池和紐扣式鋰電池在典型數據記錄器中的使用壽命。此應用大多數時(shí)間處于低功耗狀態(tài)，偶爾喚醒以處理信息。堿性AAAA電池的建議保質(zhì)期為五 年?？梢钥吹?，堿性電池和鋰電池均從低工作電壓中受益。在此例中，與等效的2V單片機相比，會(huì )額外增加六個(gè)月的電池壽命。

　　圖2 數據記錄器電池性能示例

　　設計高性能和穩定的工業(yè)應用的另一注意事項是單片機的振蕩器特性，其重要性經(jīng)常被低估。振蕩器特性會(huì )影響許多方面，包括性能、系統成本、可制造性和可靠性。

　　新型單片機以更高的速度工作，并且能夠在沒(méi)有外部時(shí)鐘源的情況下全速運行。還提供多種內部生成的時(shí)鐘頻率。這樣軟件可以隨著(zhù)電壓下降而切換到較低頻率，以保持在工作規范范圍內，或者在連接電源后提高速度。

　　制造過(guò)程中另一個(gè)常見(jiàn)挑戰是晶振有時(shí)不能可靠起振。造成這一問(wèn)題的一些常見(jiàn)原因有元件質(zhì)量變化、助焊劑殘留和布線(xiàn)疏忽。選擇高質(zhì)量晶振以及實(shí)施某些布線(xiàn)和測 試技術(shù)（如負電阻測試）可以避免其中的很多問(wèn)題，這些技術(shù)可從晶振和單片機制造商處獲取。若允許配置晶振偏壓也會(huì )有幫助，尤其是對于低頻電路。這允許增加 偏壓，以確保在各種條件下均能可靠起振，或者減少偏壓以降低功耗。一些額外的工作將幫助制造團隊避免這些類(lèi)型的棘手問(wèn)題。

　　一個(gè)可提高可靠性的出色特性是故障保護時(shí)鐘監視器。它可以持續監視系統時(shí)鐘轉換。一旦錯過(guò)幾次轉換，它會(huì )自動(dòng)將時(shí)鐘源切換到內部振蕩器并中斷CPU。這樣單片機可保持關(guān)鍵功能并執行有序關(guān)閉。

　　盡管通過(guò)精心設計，低電壓?jiǎn)纹瑱C可用于高可靠性應用， 但有時(shí)仍需要5V工作。它可以簡(jiǎn)化電路板布線(xiàn)、提高抗噪聲能力并提高對傳統設計的支持。但是，隨著(zhù)設計尺寸的減小，新的5V單片機的可用性也在降低。芯片 制造商意識到對這些器件的需求仍然很大，因而開(kāi)發(fā)出了新的高電壓工作技術(shù)，找到了使更小、更廉價(jià)的單片機以較高電壓運行的新方法。這對于尋求5V工作優(yōu)勢 的設計人員來(lái)說(shuō)是個(gè)好消息。

　　為了進(jìn)一步提高抗噪聲能力，端口和外設引腳使用多個(gè)輸入緩沖器。不同的功能可能有不同的輸入緩沖器類(lèi)型，盡管它們在同一個(gè)引腳上復用。施密特觸發(fā)器的輸入可提供比同類(lèi)TTL器件更寬廣的輸入閾值范圍，并可提高系統的噪聲容限。

　　較高的端口驅動(dòng)能力是另一個(gè)重要的設計注意事項。這不僅僅是直接驅動(dòng)LED。較高的端口驅動(dòng)能力可以防止在熟知的容易引入噪聲的電路（如開(kāi)關(guān)式穩壓器和高速PWM信號）附近產(chǎn)生無(wú)用耦合，但潛在的代價(jià)是會(huì )增大輻射噪聲。端口引腳上的小型RC濾波器將有助于抵消這些效果，同時(shí)保持高驅動(dòng)能力的優(yōu)勢。

　　內部數據EEPROM似乎與軟盤(pán)驅動(dòng)器和8音軌播放器一樣成為過(guò)去。這是制造商轉向小型工藝尺寸的自然結果，這也使集成的成本高昂。一些軟件解決方案使用閃存來(lái)仿真數據 EEPROM，但是，部分應用需要獨立的數據存儲。最新的單片機產(chǎn)品可提供高耐用性的數據EEPROM，而且仍保持高性?xún)r(jià)比。其額定擦/寫(xiě)次數高達10萬(wàn)次。注意寫(xiě)操作的最小電壓范圍，其有時(shí)會(huì )高于單片機的最小工作電壓，這會(huì )限制有效的工作范圍。

　　圖3 流量計示例

　　如圖3 所示，流量計是說(shuō)明本文涵蓋的主題的一個(gè)好例子。單片機的集成充電時(shí)間測量單元（CTMU）可讀取流量計的流量、溫度和電容式觸摸板。使用12位差分模數轉換器（ADC）和參考電壓來(lái)監視電池電壓。超低功耗喚醒模塊執行定期喚醒。如此例所示，選擇正確的單片機將提供穩定可靠且內部功能強大的低功耗解決方案。

　　——本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)09月技術(shù)特刊《智能工業(yè)特刊》，轉載請注明出處，違者必究！