基于单片机控制实现高效电池的MCU产品的设计

将在观光噪比(IoT)取向设计大多数因特网主和这些MCU将有可能被电池供电。效率将是实现可接受的电池寿命至关重要因此MCU将需要管理的电池使用更精确地比以往任何时候。许多MCU具有特殊的功能，帮助管理电池电量和使用这些功能优化可能使输赢在市场之间的差异。

本文将很快回顾一些实现高效电池的MCU产品设计，并说明所需的关键功能，例如使用的设备，这些功能如何提高工作效率和电池寿命。软件工具，帮助估计电池寿命将用于展示如何在您详细的设计实施估计寿命。这极大地有助于设备选择并且是一个关键的技术用于创建电源效率的设计。

管理电源域

电池的MCU实现时想我们最初可能，前提是有一个单一的MCU电源域，流失的电池，我们的目标是管理这个电源域打造最节能的微控制器实现成为可能。很快我们就会发现这种假设通常是假的，但是，即使是简单的MCU通常具有片上多电源域。事实证明，有多个电源域可以是一个很大的优势，当电源效率是最重要的，以我们的设计。具有多个域可以让我们更有效地管理和控制电源到MCU的是基于我们需要执行为特定实现的功能所需的部分。让我们来看一个具体的MCU，看多电源域怎么可能是有利的一个典型的电池供电的设计。

所述F0x1系列MCU(例如，STM32F051K8U6)是STM32 MCU系列入门级装置，并且因此是可在基于电池的应用中经常使用的装置的一个很好的例子。下面的图1显示了为STM32F0x1 / X2设备的各种电源域。的VDDA域权力模拟导向块中的装置，并包括用于在A / D转换器，D / A转换器，，复位发生器和时钟的PLL功能。该VDDIO2电源域可在STM32F04x / 7X / 9x的设备，并提供了一个独立的I / O电源轨时，不同的I / O标准需要得到支持(该电源电压范围为1.65～3.6 V，以支付各种I / O标准)。主VDD功率域提供功率，以大量的装置。这包括在非STM32F04x / 7X / 9X设备的I / O环，待机电路和唤醒逻辑通常总是在，它也通过权力1.8 V数字核心(，内存和数字外设)一个片上器。

STM32F0x1 / X2电源图片

图1：STM32F0x1 / X2电源显示电池备份域。 (意法提供)

最终的电源域，从外部VBAT引脚源，提供电源备份域。备份功能包括一个低能量的32 kHz时钟器，备份保持其值，即使电源中断，给设备的其他部分(方便保存重要的数据，系统复位和电源之间波动)，而真正的-e时钟(RTC)的块。一个低可以自动切换到在VBAT输入时在VDD信号低于设定的，以简化电池备份实现。

这些独立电源域可以很容易地控制和管理传送到MCU根据由应用程序所需的动作时的功率。例如，如果设备正在等待的RTC信号它的时刻开始的模拟 - 数字，大部分装置可以掉电只用电池备份域操作。该RTC超时可以切换的I / O信号，提醒外部件，然后可以打开额外的电源域。这可以是一个非常功率高效的技术，但需要一个外部功率和装置。

在一些应用中STM32F0x1 / X2器件将通过将装置的各个部分进入低功率模式，管理的时钟频率和源管理电池和电源，以在其自己的密钥块，以检测何时低电压电平可能会影响操作。在这些应用程序的多个片上电压域和工作模式都是关键要求。现在让我们看看在低模式，更详细地了解他们与多个芯片的电源域是如何工作的进一步提高电池的实现方案的电源效率。

为了帮助工程师设计开发意法半导体提供的STM32F0系列的产品培训模块概述。

低功耗MCU运行模式延长电源效率

几乎所有的MCU现在提供各种各样的减少通过限制工作频率和/或重点区块的可操作性操作电源的低功耗工作模式。这些模式有各种各样的名字，但它们的功能往往是非常相似的。MCU MCF51QE系列的低功耗工作模式，你应该寻找时，电源效率是您的应用程序的关键类型的一个很好的例子。甲状态转移图和简单的功率调节表示于图2来说明这些模式如何可以用来提高功率效率。该运行模式不限制经营和监管工作在全开状态。在其它模式中的各种块进行操作使用较低的功率通过关闭电源键元件或通过降低工作频率。例如，在等待模式中的CPU关闭以节省电力，但外设在它们的全时钟速率操作。这节省了功率时不需要CPU的运行，但或通信必须继续工作。通常，这些外设可以通过中断刚睡醒的CPU当CPU是必需的。到关闭CPU可以节省一个显著量运行功率的由于CPU，操作时，采用多数所述MCU功率预算。每个低功率模式的更详细的说明在下面的部分中提供。

飞思卡尔MCF51QE128低功耗模式的图像

图2：飞思卡尔MCF51QE128低功耗模式

运行模式 - CPU时钟可以全速运行，内部供应是充分的监管。

LPrun模式 - CPU和外设时钟被限制为250 kHz的CPU时钟和125 kHz的时钟最大的内部供应处于软监管。

等待模式 - CPU关闭以节省电能;外设时钟正常运行，内部稳压器正常工作。

LPwait模式 - CPU关闭以节省电能;外设时钟是在低速(125 kHz的最大值)和内部稳压器在宽松的监管模式下运行运行。

停止模式 - 系统(CPU和外设)时钟停止。

STOP4 - 所有的内部电路供电(全调节模式)和内部时钟源仍处于最高频率最快的恢复。

停止3 - 所有的内部电路松散的监管和时钟源的最低值(125 kHz的最大值)，提供用电和恢复速度之间的良好平衡。

停止2 - 内部电路的部分电源关闭; RAM内容被保留。在低功耗模式，此设备。需要复位从停止2模式恢复。

在运行，等待和停止模式普遍存在于现代MCU和非常功耗节能设计提供了依据。尤其是，应用程序，只定期使用主CPU - 也许只进行平均大量读数或管理接收到的数据缓冲器，当缓冲器接近充满 - 可以通过关闭CPU和让智能节省功率的戏剧性量外围设备处理尽可能多的成为可能。等待和停止之间的区别通常体现在响应时间，因为它通常需要更长的时间来块从低功耗状态通电(即减少一个典型的停止模式下，静态)，而不是删除一个时钟门控信号一个块(即只减少动态电流在典型等待模式)。

可以在MCF51QE128的LPrun和LPwait模式提供了另一种技术，通过运行在CPU和/或外围设备，以降低功耗低得多的频率比正常。当操作不容易被周期性地执行，而且必须连续运行，而不必在高速运行时非常有用。例如，通信数据包可能以高速在正常运行模式中接收，但LPrun可以用来处理数据。这是特别有用的，如果处理时间是依赖于数据的，并且不能经由周期性很容易地进行管理。一旦数据被处理时，LPwait状态可以进入等待，直到下一数据分组需要被接收。

结合使用不同的电源域和低功耗模式允许多种有效实现。寻找各种时钟频率，低功耗模式和状态转换的最佳组合可以是一个艰巨的运动，通常需要事先对具体实施工作要做，或者你可能会发现使用已选定的设备并影响项目进度不能满足你的操作要求显著。理想情况下，你会希望能够模拟各种运行功率水平，估计电池寿命为目标的应用程序。幸运的是(或者也许是因为他们明白这一点的难度)的MCU厂商都创造了一些评估工具，我们可以用它来解决这个难题。

软件工具帮助评估电力需求和电池寿命

其中一个使用的工具越容易从Microchip XLP电池寿命(BLE)1。这个免费下载的工具，与任何XLP工程估算功耗在整个应用程序。它也可以被用于获取的功耗为您的XLP MCU设计内键例程详细估计。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，你的电压和温度，然后你的目标电池(步骤1至3的GUI)。然后，您可以指定关键业务应用程序，定义工作频率，该函数使用模式下，时间的功能被激活和各种模块(如ADC，UART，定时器等)功能时有效。 (在下面的例子中有一个在运行模式在16兆赫，两种功能并在1 MHz的运行模式功能的功能)的软件自动确定在每个功能所使用的电流，然后报告所估计的电池寿命该设计。在这个例子中，电池的寿命估计在不到200天。一个完整的文本文件，报告可以生成保存程序设置和结果。一个例子示于图3的底部。

将Microchip XLP电池寿命估算程序映像

图3：Microchip的XLP电池寿命估算程序 - GUI和报告

使用的电池寿命估算程序可以很容易地找出关键程序和您的应用程序使用最多的功率。这使您可以调整设计，同时尝试不同的设备，以找到合适的实现。这样做之前，详细的编码和电路板设计可以节省你浪费显著努力探索的选项，将无法实现，你需要一个成功的设计的电源效率。

一旦你有信心，你的选择，你可以再取使用评估套件，如Microchip的PIC24F评估和演示工具包的下一个步骤。通常，这些套件包括了丰富的示例代码，参考设计和丰富的文档，可以很容易编写你的关键程序和测量实际的功率水平，你会在全面实施得到。

新的低功耗技术的高效电池的实现方案

MCU厂商也在推动技术信封不断创造从头开始

新的低功耗功能。创造低功耗面向MCU的使用新的非易失性存储器的铁电RAM或FRAM，它结合了速度，灵活性一个家庭，和SRAM的耐力与闪光灯的和可靠性，都在较低的总功率消耗。 FRAM存储器具有超低功耗和快速(每字125纳秒)写道。 FRAM可以用作程序，数据，或存储到简化应用开发。 FRAM的超低功耗，非易失性使其成为电池供电的MCU应用需要，如数据汇总和传感器预处理显著存储访问和计算能力的绝佳选择。

该FR微控制器系列还具有关键的低功耗模式，智能外设，以及先进的处理能力。图4中的显示所有关键MCU功能的MSPFR5731 / 5/9的设备可用。还检查了TI产品培训模块，涵盖了TI MSP430FR MCU系列的特性，并展示了如何在FRAM技术为各种应用显著的低功耗优势。

德州仪器MSP430FR5731 / 5/9框图图片

图4：德州仪器MSP430FR5731 / 5/9框图。

结论

很多应用程序将使用电池供电的MCU实现和电源效率将是成功的产品是至关重要的。选择合适的MCU为您实现更容易，当你使用一个功率估计工具来选择合适的设备为您的目标应用程序。