讓低功耗 MSP430 的功耗更低 — 第 2 部分

　　在上周的《讓低功耗 MSP430 的功耗更低》一文中，我們探討了特別有趣的 MSP430 屬性：盡管 MSP430 的電源電壓范圍很寬(1.8 至 3.6V)，但功耗會(huì )隨提供給 MCU 的特定電壓變化而變化。換句話(huà)說(shuō)，電源電壓從 1.8V 提高到 3.6V 會(huì )明顯增大電池的流耗。這是我們想要盡量避免的，因為這樣只會(huì )導致電池電量更快耗盡，最終給這部分用戶(hù)帶來(lái)困擾。

　　這就是穩壓器能幫上忙的地方。我們正在通過(guò)降低電源電壓有效限制流耗。

　　然而，在選擇穩壓器時(shí)有幾個(gè)應該重視的注意事項。首先，一定要知道何時(shí)使用 LDO，何時(shí)使用 DC/DC 轉換器。盡管 DC/DC 轉換器的高效率特性很有吸引力，但考慮應用的占空比或您希望 MSP430 進(jìn)入休眠狀態(tài)的頻繁程度也很重要。原因在于當 MSP430 處于低功耗模式時(shí)，從電池獲取的電流遠遠小于工作狀態(tài)下的電流消耗。而且它處在較輕負載下時(shí)，典型降壓轉換器(即降壓 DC/DC 轉換器)的效率開(kāi)始降低。請看一下在輕負載模式下降壓轉換器 TPS62122 的效率曲線(xiàn)：

      盡管轉換開(kāi)關(guān)在這些較輕負載下性能非常出色，但一旦輸出電流降至 uA 范圍時(shí)，其性能就開(kāi)始降低了。當在提供小于 100uA 電流時(shí)，我們預計效率會(huì )遠遠低于 70%。

　　讓我們將其與 LDO 對比。與 DC/DC 轉換器不同，LDO 的效率不會(huì )隨輸出電流出現很大變化。其通?？珊?jiǎn)化為：

      對于這個(gè)實(shí)例，可以說(shuō)在大多數條件下效率可預計為：

      但是，一旦輸出電流變得越來(lái)越輕，該公式就會(huì )出現問(wèn)題。在這種情況下考慮功耗時(shí)，我們還必須將 LDO 的靜態(tài)電流納入考慮因素。為此，我們必須使用以下公式：

      可以說(shuō)我們正在使用 TPS78222 向正處于低功耗模式下的 MSP430 提供 10uA 電流。由于 TPS782 具有 420nA 的靜態(tài)電流，我們應該將效率預計在 70.3%。我們看到效率有所下降，是因為不得不考慮提供給 LDO 的靜態(tài)電流。然而由于該靜態(tài)電流非常小，因此幾乎沒(méi)有影響所需的高效率。在您希望您的 MSP430 處于低功耗模式下以延遲時(shí)間周期時(shí)，最重要的是提供盡可能低的靜態(tài)電流。

　　如前文所述，選擇最高效率的選項，取決于您希望您的 MSP430 以什么樣的頻率進(jìn)入低功耗模式。健身腕帶或智能手表等可佩戴應用并非總是處于工作狀態(tài)，它們可能有很長(cháng)的空閑時(shí)間周期，可以讓 MSP430 進(jìn)入低功耗模式。在這種情況下流耗會(huì )下降，如下圖中低功耗模式所示：

     如果應用的大部分時(shí)間都處于這種模式下，那么更高效率的選項通常就是低靜態(tài)電流 LDO。但如果應用具有較高的占空比，轉換開(kāi)關(guān)通常將實(shí)現更長(cháng)的電池使用壽命。

　　回想一下，TI 最近發(fā)布了一款降壓 DC/DC 轉換器，其可在輕負載下保持很高的效率，在這方面可匹敵 LDO。TPS62740 是一款 360nA 靜態(tài)電流的轉換開(kāi)關(guān)，即使在向負載提供 10uA 的電流時(shí)，也能保持 90% 的效率。這是一款非常好的器件，它可在工作及低功耗模式下保持如此高的效率。當然，不足之處是解決方案尺寸較大，所產(chǎn)生的電磁輻射可能會(huì )影響應用。

　　在支持小型可穿戴應用時(shí)，盡量使組件小型化非常重要。這里，根據應用的尺寸情況，LDO 可能比降壓轉換器更合適，因為它具有更少的外部組件，而且無(wú)需電感器。

　　到目前為止應該非常明顯了，在低靜態(tài)電流 LDO 或 DC/DC 轉換器之間進(jìn)行選擇要取決于具體應用。但能確定的一點(diǎn)是添加穩壓器對延長(cháng)應用電池使用壽命非常關(guān)鍵。這可能不太直觀(guān)，但降低提供給 MSP430 的工作電壓確實(shí)能限制各種電池的流耗。

　　幸運的是，5 系列和 6 系列 MSP430 都能通過(guò)集成 PMM 或電源管理模塊來(lái)充分發(fā)揮這一優(yōu)勢。如下圖所示，需要根據系統頻率使用四個(gè)不同內核電壓中的一個(gè)來(lái)為 MSP430F643x 供電：

     您可根據所需的內核電壓對內部穩壓器進(jìn)行數字編程來(lái)獲得其中一個(gè)內核電壓，并可通過(guò)選擇盡可能低的內核電壓來(lái)按照上述邏輯有效節省電源，例如降低工作電壓可減少內核所需的電流。這樣做的好處是無(wú)外部穩壓器可帶來(lái)更低功耗的優(yōu)勢。然而唯一的限制是在您的電池電壓高于 MSP430 的最大允許電源電壓 (3.6V) 范圍時(shí)。在這種情況下，需要穩壓來(lái)將電池電壓降低至 MSP430 的電源范圍內。這對通常提供 4.2V 電壓的鋰離子電池來(lái)說(shuō)很常見(jiàn)。低靜態(tài)電流 LDO 或高效率降壓轉換器可在將功耗保持最低的同時(shí)降低該電壓。

　　當涉及低功耗計算時(shí)，MSP430 是最佳選擇。其低功耗模式可幫助它節省大量電源。但是，我們還應該記住，電源電壓也可決定 MCU 所消耗電流的量。利用低靜態(tài)電流 LDO 或高效率 DC/DC 轉換器將電池電壓降到較低水平，我們可有效延長(cháng)電池使用壽命。幸運的是，最新 MSP430 系列可通過(guò)內部 PMM 來(lái)充分發(fā)揮這一屬性?xún)?yōu)勢。但有時(shí)仍然需要降低電壓使其處于可接受的電壓范圍內。記住，增加一樣東西未必總是使其更大。