近年來(lái)，可攜式電池供電應(yīng)用的日益普及促使設(shè)計(jì)人員致力於將更多功能整合至更小的?品中。這些增添的功能，尤其是無(wú)線(xiàn)通訊功能，對(duì)系統(tǒng)電源提出了更高要求。如何在實(shí)現(xiàn)所需系統(tǒng)功能的同時(shí)又能延長(zhǎng)電池的壽命成?設(shè)計(jì)人員需要解?的一大挑戰(zhàn)。隨著包含各種整合式特性及週邊設(shè)備的微控制器功能的最新發(fā)展，嵌入式設(shè)計(jì)電源管理的實(shí)現(xiàn)變得更加簡(jiǎn)單靈活。同時(shí)，這些MCU也促進(jìn)了設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步。

圖一 : 可攜式電池供電應(yīng)用的日益普及促使設(shè)計(jì)人員致力於將更多功能整合至更小的?品中。(Source: sureuniversal)

更低的功耗實(shí)現(xiàn)更多功能

也許你不曾注意到，我們周遭的一切似乎變得越來(lái)越智慧，並且彼此間互相連結(jié)。你的鞋子現(xiàn)在有了感測(cè)器，可以藉由顯示在你智慧型手機(jī)上的你的速度資料告訴你如何改善你的跑步時(shí)間。體重計(jì)不僅可以將你的體重資料自動(dòng)儲(chǔ)存到雲(yún)端追蹤應(yīng)用程式，還可以透過(guò)你的智慧型手機(jī)發(fā)送提醒，告訴你，?什?你吃的最後一個(gè)甜甜圈並不是一個(gè)好主意。多虧設(shè)置在熱水器旁的小型無(wú)線(xiàn)感測(cè)器，你的居家保全系統(tǒng)就可以在車(chē)庫(kù)出現(xiàn)漏水時(shí)用手機(jī)簡(jiǎn)訊通知你。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，可攜式電池供電應(yīng)用的普及程度迅速提高。工程師一直被要求讓每個(gè)?品都能在升級(jí)換代時(shí)增加更多的功能並同時(shí)縮小整體尺寸。然而，這些新增的性能對(duì)系統(tǒng)電源提出了更高的要求。如何在更小的空間內(nèi)添加這些新功能並延長(zhǎng)電池的壽命，給設(shè)計(jì)人員出了個(gè)難題。

用於電池供電應(yīng)用設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方法就是盡量讓許多模組長(zhǎng)時(shí)間保持在低功耗狀態(tài)，偶爾需要執(zhí)行任務(wù)時(shí)才被喚醒，任務(wù)完成後又再返回到休眠模式。在一個(gè)包含多個(gè)MCU/MPU和元件的複雜設(shè)計(jì)中，低接腳數(shù)的8位元控制器經(jīng)常被使用在系統(tǒng)監(jiān)控功能，依據(jù)需要來(lái)執(zhí)行一些類(lèi)似開(kāi)機(jī)關(guān)機(jī)模組之類(lèi)的管理任務(wù)，將功效最大化。

然而，大多數(shù)的設(shè)計(jì)仍然只有一個(gè)主要的微控制器，再搭配許多整合式的週邊設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的系統(tǒng)功能。因此，這個(gè)主要的微控制器的功耗就成?關(guān)鍵的參數(shù)。然而，並非所有微控制器都具有良好的低功耗性能。在這一方面，許多應(yīng)用中8位元微控制器比32位元裝置更勝一籌。有些8位元微控制器在最低功耗設(shè)置時(shí)電流消耗可低至20 nA，但32位元元件的電流消耗在最好的情況下也會(huì)高出10到20倍左右。

要將微控制器從休眠狀態(tài)中喚醒的方法有很多種。一種常見(jiàn)的做法是使用微控制器內(nèi)部的計(jì)時(shí)器定期喚醒系統(tǒng)。這個(gè)計(jì)時(shí)器經(jīng)過(guò)配置可以在溢位時(shí)發(fā)生時(shí)引發(fā)中斷。一個(gè)附有1:8預(yù)除器的16位計(jì)時(shí)器，外加一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的內(nèi)建低功耗31 kHz振盪器（或者帶一個(gè)外部晶振）可以讓裝置休眠17秒左右。

另一種做法就是使用MCU本身的監(jiān)視計(jì)時(shí)器（WDT），理想條件下其待機(jī)時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)256秒，期間消耗的電流約?440 nA。（同樣的，一個(gè)帶有WDT功能的32位元MCU一般情?下的消耗電流至少是一個(gè)8位元MCU的3倍。）

以不需要被時(shí)常喚醒的應(yīng)用?例，像是環(huán)境監(jiān)測(cè)器，它大約每四小時(shí)被喚醒一次以讀取濕度感測(cè)器的資料然後再返回休眠狀態(tài)。這是不是意味著由於內(nèi)部計(jì)時(shí)器的限制，我們不得不需要進(jìn)行更頻繁的喚醒運(yùn)作呢？不一定。其中的一個(gè)選擇就是在需要時(shí)使用即時(shí)計(jì)時(shí)器（RTC）和晶振來(lái)提供以小時(shí)、天、月甚至年?單位的精確計(jì)時(shí)。當(dāng)然，往往因?成本原因並非所有的微控制器都會(huì)提供整合式的RTC和晶振，這時(shí)我們可以考慮使用獨(dú)立式RTC。

核心獨(dú)立的週邊設(shè)備

另一個(gè)不需要任何附加元件且不會(huì)有功率耗損就可以延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間的選擇就是使用在一些新一代8位元微控制器所內(nèi)建的獨(dú)特週邊設(shè)備。舉例來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)人員可以將這些MCU的一個(gè)可配置邏輯元件（CLC）和它的數(shù)值控制振盪器（NCO）連接到16位元計(jì)時(shí)器，進(jìn)而將待機(jī)時(shí)間從17秒延長(zhǎng)至205天，這之後才會(huì)觸發(fā)中斷喚醒MCU（見(jiàn)圖1）。當(dāng)然，很少會(huì)有應(yīng)用需要這麼長(zhǎng)時(shí)間的待機(jī)，但是這個(gè)功能在需要時(shí)是可以使用的。而如果使用一個(gè)外部晶振來(lái)代替MCU內(nèi)建的31 kHz振盪器的話(huà)，功耗甚至可以?少50%，達(dá)到2.3 μA左右。

圖二 : 使用一個(gè)8位元微控制器的核心獨(dú)立週邊設(shè)備可將待機(jī)時(shí)間延長(zhǎng)至205天，不需任何附加元件且不會(huì)有功率損耗。

我們也可以使用像是開(kāi)關(guān)或感測(cè)器等外部中斷來(lái)源喚醒微控制器。一些較大的MCU/MPU有多個(gè)優(yōu)先等級(jí)的中斷，但是這些性能通常是市場(chǎng)上現(xiàn)有的大部分低接腳數(shù)MCU所不具備的。還記得上個(gè)例子中我們用來(lái)延長(zhǎng)計(jì)時(shí)器週期的可配置邏輯元件嗎？事實(shí)上，CLC不僅可在MCU只有一個(gè)系統(tǒng)INT時(shí)創(chuàng)建額外的中斷來(lái)源，它還允許設(shè)計(jì)人員?增加條件式或連續(xù)式邏輯到喚醒程序中，使他更智慧而且還不會(huì)?生額外的電流消耗。

如果系統(tǒng)需要用多個(gè)訊號(hào)以代表一個(gè)特定狀態(tài)以喚醒CPU去確認(rèn)狀況的話(huà)，往往CPU是在其他訊號(hào)還未發(fā)生時(shí)就被第一個(gè)訊號(hào)的改變所喚醒了?，F(xiàn)在我們可以配置和組合CLC現(xiàn)有的邏輯功能和狀態(tài)機(jī)，甚至多個(gè)CLC模組，來(lái)建立特定的喚醒條件，避免出現(xiàn)頻繁的誤觸和不必要的功率損失。

雖然我們希望能在休眠模式下執(zhí)行所有任務(wù)，但是某些任務(wù)必須是在主動(dòng)模式下執(zhí)行的，這個(gè)時(shí)候相對(duì)於所有其他模組，MCU核心的功耗是最高的。這樣情?就有點(diǎn)棘手了。圖二是系統(tǒng)在一段時(shí)間內(nèi)?生電流消耗的簡(jiǎn)化圖示。電流消耗線(xiàn)下的圖形面積代表一段時(shí)間內(nèi)所有的放電量，以庫(kù)侖（Coulomb）?單位。如果休眠模式周期內(nèi)所有面積的總和比工作模式大得多，那?休眠電流值就更關(guān)鍵，因?大部分的能源消耗都發(fā)生在低功耗模式下。反之亦然，如果主動(dòng)模式周期內(nèi)的面積總和明顯更高，那?休眠電流值和休眠模式下花費(fèi)的時(shí)間就變得無(wú)關(guān)緊要了。

圖三 : 微控制器在一段時(shí)間內(nèi)?生電流消耗的圖示。

使用像是Wi-Fi或Bluetooth LE等無(wú)線(xiàn)通訊的應(yīng)用更特別是降低系統(tǒng)功耗的一大挑戰(zhàn)。這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員必須要考慮發(fā)送或接收的資料量，因?這將會(huì)直接影響總體電流消耗。此類(lèi)無(wú)線(xiàn)模組可設(shè)?「信標(biāo)」模式（Beacon Mode），以便周期性的喚醒和搜索訊號(hào)；或者可以在不使用時(shí)進(jìn)入待機(jī)模式。

類(lèi)比感測(cè)器需要搭配使用MCU的晶片上ADC模組。一般情?下， ADC採(cǎi)樣所需的時(shí)間比轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)得多。在主動(dòng)模式下的時(shí)間越長(zhǎng)，電流消耗就越多。但是，一些搭載ADC模組的MCU可以在休眠模式下進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這就最大程度的?少了在主動(dòng)模式下所需花費(fèi)的時(shí)間進(jìn)而降低功耗。

有些MCU整合了多種低功耗主動(dòng)模式。這些模式提供了可以關(guān)閉或降低核心處理器速度的選擇，同時(shí)，針對(duì)晶片週邊設(shè)備選擇性地讓系統(tǒng)時(shí)鐘保持在主動(dòng)模式。

我們經(jīng)常聽(tīng)到這樣一種說(shuō)法，「核心的性能越高，執(zhí)行任務(wù)的速度就越快，那?它就能越早回到休眠模式?！闺m然在某些情?下可能確實(shí)如此，但是這個(gè)邏輯是存在缺陷的。我們要記得核心的功耗比MCU中任何一個(gè)其他模組都高。另外，無(wú)論速度如何，所有需要核心的任務(wù)都必須連續(xù)執(zhí)行（FIFO）。因此，在最後一項(xiàng)任務(wù)完成之前核心是不可以被關(guān)閉的。當(dāng)微處理器可以借助無(wú)需核心即可運(yùn)作的整合是週邊設(shè)備來(lái)平行執(zhí)行所需任務(wù)時(shí)，核心的速度就毫不相干了，並且整體功耗也會(huì)大幅降低。畢竟，這些新的週邊設(shè)被大多數(shù)都可以在MCU核心處?kù)缎菝吣Ｊ綍r(shí)正常運(yùn)作。

由於電池供電應(yīng)用功能的增多，其設(shè)計(jì)也越來(lái)越複雜。工程師應(yīng)該研究分析並充分瞭解每個(gè)元件在不同功耗和動(dòng)作模式下的電流消耗概?，以實(shí)現(xiàn)最高的電池使用效率。新一代8位元微控制器的全新的週邊設(shè)備組合讓工程師可以不用犧牲系統(tǒng)性能就可以進(jìn)行創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)。