鉅大LARGE | 點擊量：865次 | 2021年05月12日
單鋰電池微控制器工作的優點
目前市場上低電壓、低耗電的微控制器(MCU)至少要1.8V的工作電壓，因此也至少要兩顆串聯的堿性電池來工作。然而，現在SiliconLabs推出全新的微控制器系列僅需供應0.9V工作電壓，一顆堿性電池即可實現。為了采用單電池工作，你可以在空間大小相同的情況下，用一顆較大的電池取代兩顆較小的電池，同時新增產品的電池壽命。另一個作法則是不采用串聯，而以并聯方式連接現有的兩顆電池，如此也能有效延長產品的電池壽命。但并聯的電池連結方式需搭配特定機制以防止這兩顆電池逆向連結，除此之外這不失為是一種將電池壽命最大化的好方法。另一個可能性則是拿掉一個電池，如此能讓產品更小且更便宜。也許你會認為拿掉一個電池會讓產品電池壽命減半，但了解了下面的說明，您就會明白未必如此。單電池工作
以單電池工作來說，除了要供應0.9V的電壓給微控制器之外，有些元器件必須要供應1.8V以上的電壓才能正常工作，為了解決此問題，必須另外新增DC-DC升壓轉換器。然而，就電池供電的嵌入式系統而言，該獨立的方法有若干限制。為求將電力消耗降至最低，在不要的時候，DC-DC轉換器最好能停止工作。然而，若關掉DC-DC轉換器，則微控制器就失去了供應電源，并且無法保持實時時鐘，或是在沒有額外輸入電壓的情況下便無法重新啟動系統。更糟的是，當DC-DC失去用途時，微控制器將失去整個RAM的內容。然而，假如不停止DC-DC的工作，則即使微控制器是在睡眠模式，系統的待機電流仍會偏高，通常會超過20uA。除此之外，還必須考慮DC-DC轉換器和微控制器的工作效率。大部分的獨立式DC-DC方法都被設計為傳送至少150mW(在大部分情況下會更多)給負載時的效率為最高，而在較小的負載時效率就會差許多。相對而言，一個典型的微控制器從供電端所汲取的電流會小于30mW，而這會造成DC-DC效率僅為50~70%。所以，是否有其它更加有效的解決方法？也許你可以試試將一個最佳化、低電源的DC-DC轉換器和微控制器集成到同一個芯片上。這能立即減少系統成本和電路板空間。假如你還能利用低至0.9V的低輸入電壓維持RAM內容并操作實時時鐘，則該微控制器還能控制它自有的供電系統。若你還針對標準型MCU的外圍和功能進行標準化，如待機模式、睡眠喚醒及快速代碼執行等，以達到最低的漏電損失和功耗，則該裝置便能支持單電池工作，同時還能擁有與雙電池工作相當的電池壽命。集成式解決方法的優點
SiliconLabs新近推出的C8051F9xx微控制器系列所采用了集成式解決方法。該方法將高度優化的增壓DC-DC轉換器集成至微控制器中，其能將0.9～1.5V之間的電池電壓增至1.8～3.3V之間的可編程輸出電壓。升壓后的電壓會被用于微控制器的I/O管腳及外圍。如圖1所示，通過使用一個優化的65mWDC-DC轉換器，此轉換器依然可保持80%至90%的高效率。
不僅如此，由于DC-DC轉換器能供應65mW的完整輸出，因此升壓后的輸出電壓也能被用來供應外部元器件所需的電壓。這樣，將能防止與接口連接相關的潛在問題。如連接至其它較高電壓IC或傳感器、驅動3V電壓LED，或供應足以驅動LCD或OLED顯示器的電壓。為進一步改善系統效率，此新產品系列的微控制核心和數字外圍皆是以內部統一的1.7V電壓工作，在25MIpS的速度時僅消耗170uA/MHz。圖2為此全新微控制器系列的電源架構簡單示意圖。
圖2：C8051F9xx電源架構
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
功能效率
當然，不是供應高效率的集成式電源供應系統就夠了，不同的工作模式和轉換次數，以及模擬、數字和通訊外圍都會影響系統的整體功耗。低電源微控制器最需注意的技術規格就是待機和工作模式功耗的數據。如上所述，制造廠商通常會列出每兆赫茲多少毫安(mA/MHz)的數值來計算該設備所使用的各種時鐘速度。有關這一點，當我們關注有效功耗時，便會直覺的認為就平均功耗而言，以高時鐘速率的MCU工作效率比低速率工作的MCU效率要高，這樣的看法通常都是正確的。當CMOS處理器的工作性能是在速度較快的情況下工作時，效率通常較高，于是我們便能將更多的精力放在低功耗待機或是關機模式上。基于相同的原因，一個設計優良、快速的模擬/數字轉換器(ADC)也能供應高效率的系統表現。然而，在特定系統中，要較長存取時間的高輸入阻抗可能會限制了ADC的速度。此外，為求電池供電系統中的ADC結果一致，一般會采用分立式的參考電壓，有時則會集成至微控制器中。然而，若這樣能在幾個百萬分之一秒得到高速ADC，則必須花費數毫秒等待參考電壓穩定，而系統就會花費多余時間在等待參考電壓的穩定從而消耗電池的壽命。SiliconLabs新元器件所使用的ADC和電壓參考模塊供應市場上最短的喚醒和處理時間。其高速內部電壓參考可在1.7us內取得穩定，也就是在微控制器被喚醒后就準備好了，這讓300ksps10位ADC能立刻開始轉換。通常，在混合信號微控制器中，相對簡單的比較器以中斷驅動，這能喚醒設備，并能某種程度地獨立于處理器核心之外工作。然而，通過新增ADC模塊一些獨立工作的機會，則可以實現更佳的電源效率。最新推出的SiliconLabsADC模塊可支持兩種模式，一種是持續采樣模式——執行持續16次的轉換，并在沒有微控制器介入的情況下自動累積結果；另一種為窗口比較器(window-comparator)模式——只有在結果落在特別數值的窗口時才會中斷微控制器，并能供應同步至DC-DC轉換器工作周期中最安靜部分的功能。堿性電池并非唯一的電池選擇
針對這些微控制器中的DC-DC轉換器，多種單電池的化學性質適合用來供應介于1.5和0.9V的電壓。這些電池包括所有AA和AAA型的電池——堿性(Alkaline)、鎳氫(NiMH)、鎳鎘(NiCd)和鋰(Lithium)電池為重要的種類，其它還有鋅-空氣(Zinc-Air)和氧化銀(SilverOxide)紐扣電池。就其它電池類型而言，有些電池輸出是較高的，例如硬幣型鋰離子電池，其電壓介于3.0和2.0V之間。此外，也許還有其它的理由必須用到較高的供應電壓。通過將裝置的組態設定為雙電池模式，這樣的應用仍能利用超低功耗及高效率的優點。請再次參考圖2，您會發現DC-DC轉換器可完全停止工作，讓微控制器能支持介于1.8和3.6V的輸入電壓。評估系統電池壽命
為了讓設計者能快速評估新設計的電池壽命，設計者一般要了解復雜的技術規格，SiliconLabs供應了一個簡單、可下載的pC軟件工具，即電池壽命評估器。無論是任何系統或應用，只要輸入設計人員所選擇的電池類型，以及放電參數，就是圖3所顯示的一些基本功耗參數，則此軟件會針對單、雙串聯，以及雙并聯電池組態的整體電池壽命進行比較，評估自動放電和存儲壽命。此軟件會輸出一個圖表，顯示電壓和時間的關系以及電池壽命的評估數據，如圖4所示。
