基于电池的高效 MCU 设计方案解析

　　MCU 将成为大多数面向物联网 （IoT） 的设计中的主要控制元素，并且这些 MCU 可能由电池供电。电源效率对于实现可接受的电池寿命至关重要，因此 MCU 需要比以往更精确地管理电池使用。许多 MCU 具有帮助管理电池电量的特殊功能，并且以最佳方式使用这些功能可能会决定市场的成败。

　　本文将快速回顾实现基于电池的高效 MCU 设计所需的一些关键特性，并将使用示例器件说明这些特性如何提高效率和电池寿命。帮助估计电池寿命的软件工具将用于展示如何在详细设计实施之前估计寿命。这极大地有助于器件选择，并且是创建节能设计的关键技术。

　　管理电源域

　　在考虑基于电池的 MCU 实现时，我们最初可能会假设有一个 MCU 电源域，用电池供电，我们的目标是管理这个电源域，以创建尽可能节能的 MCU 实现。然而，很快我们就会发现这种假设通常是错误的，即使是简单的 MCU 通常也有多个片上电源域。事实证明，当电源效率对我们的设计至关重要时，拥有多个电源域可能是一个很大的优势。拥有多个域可以让我们更有效地管理和控制 MCU 部分的电源，这些部分基于我们需要为特定实现执行的功能。

　　STM32F0x1 MCU 系列（例如，STM32F051K8U6）是 STM32 MCU 系列中的入门级器件，因此是可经常用于基于电池的应用的器件的一个很好的例子。下面的图 1 显示了 STM32F0x1/x2 器件可用的各种电源域。V DDA域为器件中面向模拟的模块供电，并包括用于 A/D 转换器、D/A 转换器、温度传感器、复位发生器和时钟 PLL 的功能。V DDIO2电源域在 STM32F04x/7x/9x 器件上可用，并在需要支持不同的 I/O 标准时提供独立的 I/O 电源轨（此电源电压范围可以从 1.65 到 3.6 V，以涵盖各种I/O 标准）。主 V DD电源域为大部分设备供电。这包括非 STM32F04x/7x/9x 器件上的 I/O 环、待机电路和通常始终开启的唤醒逻辑，它还通过以下方式为 1.8 V 数字内核（处理器、存储器和数字外设）供电片上稳压器。

 

 

　　图 1：STM32F0x1/x2 电源显示电池备份域。（意法半导体提供）

　　来自外部 V BAT引脚的最终电源域为备用域供电。备份功能包括一个低能耗的 32 KHz 晶体时钟振荡器，即使在设备的其余部分断电时也能保持其值的备份寄存器（便于在系统复位和电源波动之间保存重要数据），以及真正的-时钟（RTC）块。当 V DD信号低于设定阈值时，低压检测器可以自动切换到 V BAT输入，以简化电池备份的实施。

　　这些独立的电源域可以根据应用所需的操作轻松控制和管理提供给 MCU 的电源。例如，如果设备正在等待 RTC 发出开始模数转换的时间信号，则可以在仅电池备用域运行的情况下关闭大部分设备。RTC 超时可以切换 I/O 信号以提醒外部电源管理设备，然后该设备可以打开其他电源域。这可能是一种非常节能的技术，但需要外部电源和电池管理设备。

　　在某些应用中，STM32F0x1/x2 器件将通过将器件的各个部分置于低功耗模式、管理时钟频率和测量电压源以检测低电压电平何时可能影响操作来自行管理关键模块的电池和电源。 在这些应用中，多个片上电压域和低功耗工作模式都是关键要求。现在让我们更详细地了解低功耗模式，看看它们如何与多个片上电源域一起工作，以进一步提高基于电池的实现的电源效率。

　　为了帮助工程师进行设计开发，意法半导体提供了其 STM32F0 系列的产品培训模块概述。

　　低功耗 MCU 工作模式可提高电源效率

　　现在几乎每个 MCU 都提供各种低功耗工作模式，通过限制工作频率和/或关键模块的可操作性来降低工作功耗。这些模式有多种名称，但它们的功能通常非常相似。飞思卡尔 MCF51QE _当电源效率对您的应用至关重要时，MCU 系列是您应该寻找的低功耗工作模式类型的一个很好的例子。图 2 显示了状态转换图和简单的功率调节表，以说明如何使用这些模式来提高功率效率。运行模式不限制操作，调节器在完全开启状态下运行。在其他模式中，各种模块通过关闭关键元件的电源或通过降低工作频率来使用较低的功率运行。例如，在等待模式下，CPU 关闭以节省电力，但外设以全时钟速率运行。当不需要 CPU 操作但定时器或通信外设必须继续操作时，这可以节省电力。通常这些外设可以在需要 CPU 时通过中断唤醒 CPU。关闭 CPU 的能力可以节省大量的运行功率，因为​​ CPU 在运行时会使用 MCU 的大部分功率预算。以下部分提供了每种低功耗模式的更详细说明。

 

 

　　图 2：飞思卡尔 MCF51QE128 低功耗模式。（由飞思卡尔提供）

　　运行模式 — CPU 时钟可以全速运行，内部电源完全调节。

　　LPrun 模式 — CPU 和外设时钟限制为 250 kHz CPU 时钟和 125 kHz 总线时钟最大值，并且内部电源处于软调节状态。

　　等待模式——CPU 关闭以节省电力；外设时钟正在运行并保持完全调节。

　　LPwait 模式——CPU 关闭以节省电力；外设时钟以降低的速度运行（最大 125 kHz），内部稳压器运行在松散调节模式下。

　　停止模式 — 系统（CPU 和外设）时钟停止。

　　Stop4 — 所有内部电路都通电（完全调节模式），内部时钟源仍处于最大频率以实现最快恢复。

　　Stop3 — 所有内部电路都松散调节，时钟源处于最小值（最大值 125 kHz），在功率利用率和恢复速度之间提供了良好的折衷。

　　Stop2——内部电路部分掉电；RAM 内容被保留。此设备的最低功耗模式。从 Stop2 模式返回需要复位。

　　运行、等待和停止模式在现代 MCU 中普遍存在，并为非常节能的设计提供了基础。特别是，仅定期使用主 CPU 的应用程序（可能仅用于平均大量传感器读数或在缓冲区快满时管理接收到的数据缓冲区）可以通过关闭 CPU 并让智能外围设备尽可能多地处理算法。等待和停止之间的区别通常反映在响应时间上，因为从低功耗状态（这会降低典型停止模式中的静态电流）为模块上电通常需要更长的时间，而不是移除时钟门控信号以启动一个块（仅减少典型等待模式下的动态电流）。

　　MCF51QE128 中可用的LPrun和 LPwait 模式提供了另一种通过以比正常低得多的频率运行 CPU 和/或外设来降低功耗的技术。当操作不容易定期执行并且必须连续运行但不需要高速运行时，这很有用。例如，在正常运行模式下可能会高速接收通信数据包，但可以使用 LPrun 来处理数据。如果处理时间取决于数据并且不能通过周期性定时器中断轻松管理，这将特别有用。一旦数据处理完毕，就可以进入LPwait状态，等待下一个数据包需要接收。

　　结合使用各种电源域和低功耗模式，可以实现多种高效实现。找到各种时钟频率、低功耗模式和状态转换的最佳组合可能是一项艰巨的任务，通常需要在详细实施之前完成，否则您可能会发现使用已选择的器件无法满足您的操作要求并影响项目进度显著地。理想情况下，您希望能够对各种工作功率水平进行建模并估计目标应用的电池寿命。幸运的是（或者可能是因为他们理解这个困难）MCU 制造商已经创建了一些我们可以用来解决这个难题的估计工具。

　　软件工具有助于估计功率要求和电池寿命

　　更易于使用的工具之一是Microchip XLP 电池寿命估算器 （BLE） 1. 这款可免费下载的工具可与任何 XLP MCU 配合使用，以估算整个应用的功耗。它还可用于获取 XLP MCU 设计中关键例程的功耗的详细估计值。下面的图 3 显示了 BLE 的图形用户界面 （GUI）。您只需选择您的设备、电压和温度，然后选择您的目标电池（GUI 中的步骤 1 到 3）。然后，您可以在应用程序中指定关键操作，定义操作频率、函数使用的模式、函数激活的时间以及函数期间激活的各种模块（如 ADC、UART、定时器等）。（在下面的示例中，在 16 MHz 的运行模式中有一个功能，两个睡眠模式功能和一个 1 MHz 的运行模式功能）软件自动确定每个功能中使用的电流，然后报告设计的估计电池寿命。在示例中，电池寿命估计为不到 200 天。可以生成完整的文本文件报告以保存程序设置和结果。图 3 底部显示了一个示例。

　　

 

 

　　图 3：Microchip XLP 电池寿命估算器程序——GUI 和报告。（由微芯片提供）

　　使用电池寿命估算器程序可以轻松识别关键例程以及应用程序使用最多电量的位置。这使您可以调整设计，同时尝试不同的设备以找到正确的实现。在详细的编码和电路板设计之前执行此操作可以避免您浪费大量精力来探索无法提供成功设计所需的电源效率的选项。

　　一旦您对自己的选择充满信心，您就可以进行下一步使用评估套件，例如 Microchip PIC24F评估套件。通常，这些套件包含大量示例代码、参考设计和大量文档，以便您轻松编写关键例程并测量您在完整实施中将获得的实际功率水平。

　　用于基于电池的高效实施的新低功耗技术

　　MCU 制造商也在推动技术发展，不断从头开始创造新的低功耗功能。德州仪器 （ Texas Instruments ） 使用新型非易失性存储器铁电 RAM 或 FRAM 创建了一系列面向低功耗的 MCU，该系列将 SRAM 的速度、灵活性和耐用性与闪存的稳定性和可靠性相结合，而且总功耗更低消耗。FRAM 存储器具有超低功耗和快速（每字 125 ns）写入功能。FRAM 可用作程序、数据或存储，以简化应用程序开发。FRAM 的超低功耗和非易失性使其成为需要大量存储访问和计算能力（如数据聚合和传感器预处理）的基于电池的 MCU 应用的绝佳选择。

　　MSP430FR MCU 系列还具有关键的低功耗模式、智能外设和高级处理能力。图 4 中的框图显示了MSP430FR5731 /5/ 9器件中可用的所有关键 MCU 功能。另请查看涵盖TI MSP430FR MCU 系列功能的 TI 产品培训模块，并展示 FRAM 技术如何为各种应用提供显着的低功耗优势。

　　

 

 

　　图 4：德州仪器 MSP430FR5731/5/9 框图。（德州仪器提供）

　　结论

　　许多物联网应用将使用基于电池的 MCU 实施方案，电源效率对于成功的产品至关重要。当您使用功率估算工具为您的目标应用选择正确的器件时，为您的实施选择正确的 MCU 会更容易。