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将电池供电型微控制器系统耗电减到最少

• 今日的便携式产品设计对所用的电池会有些相互冲突的要求，例如更丰富的产品功能会增加耗电，使用者也希望电池使用时间更长，但不断缩小的产品体积和成本限制却使电池容量无法增加，因此节省电力就成为最重要的考虑。传统设计为了将耗电减到最少，通常都尽可能减少电流消耗；但其实电池的蓄电量是电压、电流和时间的乘积，要有效提升整个系统的电源效率，就必须同时考虑这三项变量。微控制器系统若以电池做为电源，这些电池又能由使用者更换，则可采用专为因应这些变量而设计的微控制器，因为这些微控制器可通过芯片内置电压转换等功能和传统低耗电操作模式来解决前述问题。
  
  电池特性
  
  多数低端和中端便携式产品都会使用可替换的电池或充电电池，这些电池还能由使用者自行更换。如图1所示，刚充完电时的单节电池电压通常会在1.2-1.6V之间，电力耗尽时则下降至0.9-1.0V。把两个单节电池串联即可提供1.8-3.2V之间的电压。
  

  

  
  
  正常操作时的微控制器电源特性
  
  常见的低耗电微控制器都能在两颗电池的供电范围操作。例如多数8和16位微控制器都是采用0.35微米CMOS技术，它们的操作电压最高达到3.6V，但若电压只有1.8V就会影响其效能。电压较低时，数字逻辑的操作速度会变慢，模拟开关组件的导通阻抗也会变大。组件效能同样会随着电池电压改变，只不过电池电压与应用需求通常毫不相干。除此之外，如果数字逻辑的设计是为了在最低电池电压下操作，它在电压较高时就会消耗较多的电流。
  
  CMOS逻辑门的动态功耗可写为：P = C × V2 × f，其中C为负载电容，它是设计和工艺技术的函数；V为供工字电感器应电压；f则是开关频率，它是应用处理需求的函数。电源电压是控制功耗的主要手段，因此若能像C8051F9xx内含低压差 (LDO) 稳压器一样，直接在芯片中增加电压转换功能，就能提供稳定的1.8V电压给微控制器的数字核心 (参考图2)，使动态功耗大幅下降。
  
  

  

  
  
  电压转换的好差模电感处
  
  观察CMOS技术的动态功耗关系有助于了解使用LDO稳压器的优点：
  
  P = C × V2 × f
  = V × (C × V × f)
  = V × I
  其中动态电流I = C × V × f
  
  分析动态电流时，我们常以1MHz频率或特定电源电压为基准将动态电流正规化；例如在1.8V电压下，常见的低耗顺络电感电微控制器每MHz会有220μA的动态电流消耗。如果没有电源稳压，则在电压为3.2V时会增加到每MHz等于220 × (3.2/1.8) = 391μA。但若使用LDO稳压器，电池电流在整个电压范围都会固定在每MHz为220μA。设计人员还能升级到更先进的0.18微米工艺技术，使数字逻辑的速模压电感器度更快，电流消耗则减少2到3成。要将操作电压降至1.8V以下其实并不难，但现有的闪存技术至少需要1.8V电压，许多模拟外围也需要1.8V以上的电压来满足效能和应用需求差模电感器。
  
  图1显示没有一种单电池或双电池架构能提供1.6-1.8V间的电压。若微控制器核心电压在这个范围，那么使用2颗电池时可由LDO提供所需电压，若是1颗电池则可使用以电感为基础的DC/DC升压转换器。在整个电池寿命期间，电池供电电路只需进行升压或降压转换，不必在两种模式之间动态切换。集成式DC/DC升压转换器 (例如C8051F9xx内含转换器) 虽会使电路复杂性略增，却能让系统靠着一颗电池操作，大幅降低产品的成本与体积。
  
  LDO虽能大幅降低双电池系统的耗电，DC/DC升压转换器却能提供比LDO还高的整体电源效率。在其它条件都相同的情形下，单电池设计若采用效率高达80%的DC/DC升压转换器，则其耗电将只有不含LDO的传统0.35微米双电池设计的一半。
  
  休眠模式要求
  
  要提供最大电源效率和最长电池寿命，就必须将微控制器在唤醒过程和正常模式下的操作最佳化，确保组件多数时间都处于超低耗电的休眠模式。在有些应用中，休眠模式电流是影响整体电源消耗的最大因素。

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