针对超低功耗设计优化微控制器能效

针对超低功耗设计优化微控制器能效

设计人员通常通过减少活动处理时间和增加微控制器 （MCU） 在睡眠模式下的停留时间来优化设备功耗。然而，随着超低功耗应用的兴起，这种方法已不再适用。

对于电动牙刷、个人媒体播放器、遥控器、无线传感器以及各种其他便携式和手持设备等设备，需要在系统的各个级别实施电源管理。通过高效的单节电压转换优化功耗、利用多种电流模式、引入智能电池管理以及在应用层实施节能技术，可以在整个系统中协调功耗。

高效的电压转换

许多超低功耗应用正在转向单电池架构，以降低设备成本、尺寸和重量。减少对单个电池的供电是一个有吸引力的选择，因为它简化了电池座的机械结构并导致产品更小更轻。

充满电时，单个电池的电压通常在 1.2 V 至 1.5 V 之间，但电池可降至 1 V 以下，同时仍拥有大量可用能量。从单个电池驱动电机、LED 甚至微控制器本身都需要一个稳压器来将可用电压提升到适当的水平。

ATTIny43U 具有一个集成稳压器，可以将电压提升至 0.7 V（参见图 1），从而允许在电池电量接近尾声时继续放电。该集成稳压器提供 1 微安（典型值）空闲电流，一旦有足够电压即可自动启动，并支持任何电池技术，使开发人员能够使用 1.6 V 碱性或氧化银、1.5 V 锂离子、1.4 V 锌-air，以及 1.2 V NiMH 和 NiCd 等。

图 1： ATTIny43U 在低至 0.7 V 的电压下工作。

升压和低电流模式

无需外部驱动电路的高电流容量对于许多应用也很重要。ATTIny43U 的升压稳压器可驱动高达 30 mA 的电流，可直接控制高亮度 LED 和小型电机。图 2 显示了 ATTIny43U 在特定负载电流下基于剩余电量的转换效率。

图 2：负载电流的升压效率取决于输入电压。

如图 2 所示，大电流运行的效率低于以较低电流运行时的效率，但大多数高电流应用不需要连续在高电流模式下运行。如果架构被锁定在高电流模式，那么这些设备将以较低的效率运行，即使设备只需要低电流消耗。

为了保持效率，MCU 必须能够支持多种 *** 作模式。当设备需要高电流和严格调节的 Vcc 时，MCU 和调节器将在调节模式下运行。当电机或其他外围设备未使用，且负载电流降至 0.6 mA 以下时，稳压器会自动切换到低电流模式，执行更高效的电源转换。

此外，在轻载或空载时，稳压模式下的转换器将周期性地达到其占空比下限。通过自动进入低电流模式，转换器停止开关并将电流消耗降至最低，同时仍保持工作状态（参见图 3）。

图 3：转换器在稳压模式下周期性地达到其占空比下限，并在低电流模式下削减电流消耗。

在主工作模式，主动稳压模式下，输出电压保持稳定在 3 V ±100 mV 范围内。另请注意，随着电池中的能量耗尽，典型的转换电压会发生变化（参见图 4）。

图 4：当电池中的能量耗尽时， *** 作模式之间的转换级别会发生变化。

智能电池管理

可充电电池需要在设定的限度内进行仔细监控和充电控制，以确保安全使用和最佳使用寿命。不同的电池化学成分具有不同的电压阈值，它们可以安全地充电和放电。

ATtiny43U 的固件可以使用内置的模数转换器 （ADC） 监控电池电压，并决定何时将自身置于停止模式，从而彻底耗尽一次性电池的电量，同时确保可充电电池在多个充电周期内的最长使用寿命。

虽然自动关闭 MCU 可以保护可充电电池，但从应用的角度来看，突然断电可能是不可接受的。例如，突然关闭相机会使镜头暴露在外且易受攻击。使用 ADC 定期测量电池电压使应用程序有机会在关机前将设备置于安全配置中。

更多省电技术

许多应用程序添加一个 MCU 作为辅助处理器来辅助主应用程序处理器，卸载更新显示器、监控键盘、 *** 作小型电机和智能管理智能电池等任务。以这种方式使用 MCU 可使应用处理器不间断地休眠更长时间，从而显着节省电力。

超低功耗 MCU 还需要多种睡眠模式。例如，传感器应用程序可以监控温度，直到它超过阈值。在监控期间保持整个 MCU 处于活动模式会消耗比实际需要更多的功率。支持不同的睡眠模式，允许开发人员关闭设备的不同部分，从而实现更好的节能（参见表 1）。

表 1：典型的 *** 作模式为开发人员提供了不同的电流消耗选项。

ATtiny43U 架构中的许多其他创新提高了活动和睡眠模式下的电源效率：

低功耗掉电检测

虽然零功率掉电检测器不消耗功率，但它们的响应速度也很慢，并且可能需要整整毫秒来检测低于阈值的电压，从而使 MCU 处于危险之中。或者，休眠的掉电检测器可以在 2 微秒内识别掉电情况，而仅消耗 20 微安电流。

数字输入禁用寄存器

将输入多路复用到 ADC 等外设有助于低引脚数设备，但当施加 Vcc/2 范围内的电压时，构成输入缓冲器的晶体管将出现电流泄漏。使用每个模拟输入一个禁用位的专用输入禁用寄存器使开发人员能够禁用单个输入缓冲器以防止泄漏。

功率降低寄存器

虽然多种睡眠模式简化了电源管理，但它们通常会打开或关闭整个外设模块。功耗降低寄存器使开发人员可以完全控制关闭各个外围模块。禁用一个外围模块可以在活动模式下降低 5-10% 的总功耗，在空闲模式下降低 10-20%。

闪光采样

传统闪存设计为在活动模式下始终启用。然而，在较低的时钟速度下，闪存读取时间将小于时钟周期。闪存采样使闪存能够以大约 10 ns 的时间对阵列的内容进行采样，然后立即将其禁用，从而降低平均功耗。

看到差异

开发套件提供了一种在实际 *** 作条件下测试 MCU 效率的有效方法。ATtinyx3U 顶部模块连接到 ATSTK600 开发板。使用该套件，开发人员可以测试单节电池 *** 作的极限，在直接驱动高亮度 LED 的同时分析功耗，并驱动集成升压稳压器的自动关机和开机功能来调整功率阈值，以利用最大容量安全参数内的细胞。

MCU 集成了片上稳压器和可配置模式，有效地缩小了 MCU 的最小电源电压与标准单节电池技术的典型输出电压之间的差距，使开发人员能够根据可用的负载条件和电池电压最大限度地降低功耗。只需一节电池，无需外部稳压器，能够将电池电量降至 0.7 V，并为 LED 和小型电机提供高电流容量，设计人员可以构建真正超低功耗的紧凑、经济高效的电池供电设备。

审核编辑：郭婷