面向超低功耗設計的微控制器功效優(yōu)化方案

　　對于電動(dòng)牙刷、PMP、遙控器、無(wú)線(xiàn)傳感器以及其它便攜和手持式設備來(lái)說(shuō)，必須將功率管理貫穿于系統的各個(gè)層面。通過(guò)高效單電池電壓轉換優(yōu)化功耗、利用多種電流模式、引入智能電池管理、在應用級采用節能技術(shù)，便可以在整個(gè)系統范圍實(shí)現功耗調節。

　　高效的電壓轉換

　　許多超低功率應用都在向單電池架構方向發(fā)展，以降低器件成本，減小尺寸和重量。這三個(gè)要素也是決定電池供電便攜式應用產(chǎn)品成功與否的關(guān)鍵。很多時(shí)候，電池甚至比其它所有元器件加上PCB還要重。此外，標準AA或AAA電池通常是PCB上最大的組件。將電源精簡(jiǎn)為單個(gè)電池的方案頗具吸引力，因為其能夠簡(jiǎn)化電池座設計，并使產(chǎn)品的整體結構變得更輕巧。

　　不過(guò)，單電池電源的設計也給設計人員帶來(lái)了各種新的挑戰。雖然當完全充滿(mǎn)電后，單電池的電壓范圍通常在1.2V-1.5V，但實(shí)際上即便電池電壓降至1V以下，仍有相當多的能量可供使用。電源電壓為1.8V的MCU需要至少兩個(gè)電池串聯(lián)工作。而有些應用，比如利用很大的正向電壓驅動(dòng)高亮度LED，更是需要4個(gè)電池之多。為了通過(guò)單電池來(lái)驅動(dòng)電機、LED甚至是處理器本身，必須利用一個(gè)調節器，把現有電壓提升到合適的水平。然而升壓調節器的成本幾乎就相當于一個(gè)MCU，而且還需要占用很多PCB空間。此外，有些調節器還必須通過(guò)MCU來(lái)控制，從而進(jìn)一步增加了設計的復雜性。

　　MCU內的集成自管理升壓調節器的無(wú)縫工作，不僅可以避免由外部調節器帶來(lái)的大多數成本和空間問(wèn)題，而且相比采用外部DC-DC轉換器，其MCU還能提供更高的功效。例如，集成式調節器ATtiny43U（見(jiàn)圖1）就能夠提升低至0.7V的電壓，較之由其它類(lèi)型實(shí)現方案支持的技術(shù)更能在接近電池儲量的極限下放電。一個(gè)集成式調節器還可實(shí)現相當小的無(wú)功電流（ATtiny43U的典型值是1μA），而且一旦有足夠電壓，就能夠自動(dòng)啟動(dòng)（1.2V表示滿(mǎn)電池或接近充電完成）。

圖1. 集成一個(gè)升壓調節器使ATtiny43U能夠在電壓低至0.7 V的單電池下工作，有效驅動(dòng)高達10mA的負載電流。而且，相比其它類(lèi)型的實(shí)現方案，它更允許放電更接近電池儲量的極限。

　　除此之外，這種調節器還支持所有的電池技術(shù)，賦予設計人員充分自由來(lái)選擇針對某種特定應用的最佳電池。電池電壓范圍為0.7V-1.8V，開(kāi)發(fā)人員可以使用1.6V堿性電池或氧化銀電池、1.5V鋰電池、1.4V鋅空氣電池（Zinc-Air），以及1.2V鎳氫和鎳鎘電池等。

　　升壓及低電流模式

　　對許多應用而言，無(wú)外部驅動(dòng)電路的大電流能力也十分重要。ATtiny43U的升壓調節器具有高達30mA的電流驅動(dòng)能力，能夠直接控制高亮LED和小型電機。由于該調節器是MCU的一個(gè)集成部分，所以可針對架構進(jìn)行優(yōu)化，最大限度提高效率。例如，圖2就顯示了ATtiny43U對基于剩余電荷的特定負載電流的轉換效率。

圖2. 一個(gè)集成式升壓調節器針對其MCU架構而優(yōu)化，使不同負載和電源電壓下的轉換效率最大化。由于無(wú)需外部調節器，集成式調節器還能減小板上空間要求，降低總體系統成本。

　　如圖所示，相比電流較小的工作，大電流工作的效率更低。不過(guò)，大部分大電流應用并不需要在大電流模式下連續工作。譬如，電動(dòng)牙刷或相機只是偶爾才啟動(dòng)電機工作。如果其架構被鎖定在大電流模式，即使在只需要很小耗電量的情況下，這些設備的工作效率也很低；這就是說(shuō)，調節器將以大電流工作條件下的低效率特性來(lái)提供低電流。

　　要維持效率的話(huà)，MCU便必須能夠支持多種工作模式。于是，當設備需要大電流和嚴格調節的Vcc時(shí)，MCU和調節器便會(huì )在調節模式（Regulated Mode）下工作。另一方面，當電機或其它外設閑置，且負載電流降至0.6mA以下時(shí)，調節器則自動(dòng)切換到低電流模式（Low Current Mode），更有效地調節功耗。

　　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。

圖4. 有源低電流模式（Active Low Current Mode） 和有源調節模式（Active Regulated Mode）之間的典型轉換范圍取決于可用的輸入電壓和負載。

　　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）。