將在觀光噪比(IoT)取向設(shè)計(jì)大多數(shù)因特網(wǎng)主和這些MCU將有可能被電池供電。效率將是實(shí)現(xiàn)可接受的電池壽命至關(guān)重要因此MCU將需要管理的電池使用更精確地比以往任何時(shí)候。許多MCU具有特殊的功能,幫助管理電池電量和使用這些功能優(yōu)化可能使輸贏在市場(chǎng)之間的差異。
本文將很快回顧一些實(shí)現(xiàn)高效電池的MCU產(chǎn)品設(shè)計(jì),并說(shuō)明所需的關(guān)鍵功能,例如使用的設(shè)備,這些功能如何提高工作效率和電池壽命。軟件工具,幫助估計(jì)電池壽命將用于展示如何在您詳細(xì)的設(shè)計(jì)實(shí)施估計(jì)壽命。這極大地有助于設(shè)備選擇并且是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)用于創(chuàng)建電源效率的設(shè)計(jì)。
管理電源域
電池的MCU實(shí)現(xiàn)時(shí)想我們最初可能,前提是有一個(gè)單一的MCU電源域,流失的電池,我們的目標(biāo)是管理這個(gè)電源域打造最節(jié)能的微控制器實(shí)現(xiàn)成為可能。很快我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)這種假設(shè)通常是假的,但是,即使是簡(jiǎn)單的MCU通常具有片上多電源域。事實(shí)證明,有多個(gè)電源域可以是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì),當(dāng)電源效率是最重要的,以我們的設(shè)計(jì)。具有多個(gè)域可以讓我們更有效地管理和控制電源到MCU的是基于我們需要執(zhí)行為特定實(shí)現(xiàn)的功能所需的部分。讓我們來(lái)看一個(gè)具體的MCU,看多電源域怎么可能是有利的一個(gè)典型的電池供電的設(shè)計(jì)。
所述F0x1系列MCU(例如,STM32F051K8U6)是STM32MCU系列入門級(jí)裝置,并且因此是可在基于電池的應(yīng)用中經(jīng)常使用的裝置的一個(gè)很好的例子。下面的圖1顯示了為STM32F0x1 / X2設(shè)備的各種電源域。的VDDA域權(quán)力模擬導(dǎo)向塊中的裝置,并包括用于在A / D轉(zhuǎn)換器,D / A轉(zhuǎn)換器,,復(fù)位發(fā)生器和時(shí)鐘的PLL功能。該VDDIO2電源域可在STM32F04x / 7X / 9x的設(shè)備,并提供了一個(gè)獨(dú)立的I / O電源軌時(shí),不同的I / O標(biāo)準(zhǔn)需要得到支持(該電源電壓范圍為1.65~3.6 V,以支付各種I / O標(biāo)準(zhǔn))。主VDD功率域提供功率,以大量的裝置。這包括在非STM32F04x / 7X / 9X設(shè)備的I / O環(huán),待機(jī)電路和喚醒邏輯通常總是在,它也通過(guò)權(quán)力1.8 V數(shù)字核心(,內(nèi)存和數(shù)字外設(shè))一個(gè)片上器。
STM32F0x1 / X2電源圖片
圖1:STM32F0x1 / X2電源顯示電池備份域。 (意法提供)
最終的電源域,從外部VBAT引腳源,提供電源備份域。備份功能包括一個(gè)低能量的32 kHz時(shí)鐘器,備份保持其值,即使電源中斷,給設(shè)備的其他部分(方便保存重要的數(shù)據(jù),系統(tǒng)復(fù)位和電源之間波動(dòng)),而真正的-e時(shí)鐘(RTC)的塊。一個(gè)低可以自動(dòng)切換到在VBAT輸入時(shí)在VDD信號(hào)低于設(shè)定的,以簡(jiǎn)化電池備份實(shí)現(xiàn)。
這些獨(dú)立電源域可以很容易地控制和管理傳送到MCU根據(jù)由應(yīng)用程序所需的動(dòng)作時(shí)的功率。例如,如果設(shè)備正在等待的RTC信號(hào)它的時(shí)刻開始的模擬 - 數(shù)字,大部分裝置可以掉電只用電池備份域操作。該RTC超時(shí)可以切換的I / O信號(hào),提醒外部件,然后可以打開額外的電源域。這可以是一個(gè)非常功率高效的技術(shù),但需要一個(gè)外部功率和裝置。
在一些應(yīng)用中STM32F0x1 / X2器件將通過(guò)將裝置的各個(gè)部分進(jìn)入低功率模式,管理的時(shí)鐘頻率和源管理電池和電源,以在其自己的密鑰塊,以檢測(cè)何時(shí)低電壓電平可能會(huì)影響操作。在這些應(yīng)用程序的多個(gè)片上電壓域和工作模式都是關(guān)鍵要求。現(xiàn)在讓我們看看在低模式,更詳細(xì)地了解他們與多個(gè)芯片的電源域是如何工作的進(jìn)一步提高電池的實(shí)現(xiàn)方案的電源效率。
為了幫助工程師設(shè)計(jì)開發(fā)意法半導(dǎo)體提供的STM32F0系列的產(chǎn)品培訓(xùn)模塊概述。
低功耗MCU運(yùn)行模式延長(zhǎng)電源效率
幾乎所有的MCU現(xiàn)在提供各種各樣的減少通過(guò)限制工作頻率和/或重點(diǎn)區(qū)塊的可操作性操作電源的低功耗工作模式。這些模式有各種各樣的名字,但它們的功能往往是非常相似的。MCU MCF51QE系列的低功耗工作模式,你應(yīng)該尋找時(shí),電源效率是您的應(yīng)用程序的關(guān)鍵類型的一個(gè)很好的例子。甲狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和簡(jiǎn)單的功率調(diào)節(jié)表示于圖2來(lái)說(shuō)明這些模式如何可以用來(lái)提高功率效率。該運(yùn)行模式不限制經(jīng)營(yíng)和監(jiān)管工作在全開狀態(tài)。在其它模式中的各種塊進(jìn)行操作使用較低的功率通過(guò)關(guān)閉電源鍵元件或通過(guò)降低工作頻率。例如,在等待模式中的CPU關(guān)閉以節(jié)省電力,但外設(shè)在它們的全時(shí)鐘速率操作。這節(jié)省了功率時(shí)不需要CPU的運(yùn)行,但或通信必須繼續(xù)工作。通常,這些外設(shè)可以通過(guò)中斷剛睡醒的CPU當(dāng)CPU是必需的。到關(guān)閉CPU可以節(jié)省一個(gè)顯著量運(yùn)行功率的由于CPU,操作時(shí),采用多數(shù)所述MCU功率預(yù)算。每個(gè)低功率模式的更詳細(xì)的說(shuō)明在下面的部分中提供。
飛思卡爾MCF51QE128低功耗模式的圖像
圖2:飛思卡爾MCF51QE128低功耗模式
運(yùn)行模式 - CPU時(shí)鐘可以全速運(yùn)行,內(nèi)部供應(yīng)是充分的監(jiān)管。
LPrun模式 - CPU和外設(shè)時(shí)鐘被限制為250 kHz的CPU時(shí)鐘和125 kHz的時(shí)鐘最大的內(nèi)部供應(yīng)處于軟監(jiān)管。
等待模式 - CPU關(guān)閉以節(jié)省電能;外設(shè)時(shí)鐘正常運(yùn)行,內(nèi)部穩(wěn)壓器正常工作。
LPwait模式 - CPU關(guān)閉以節(jié)省電能;外設(shè)時(shí)鐘是在低速(125 kHz的最大值)和內(nèi)部穩(wěn)壓器在寬松的監(jiān)管模式下運(yùn)行運(yùn)行。
停止模式 - 系統(tǒng)(CPU和外設(shè))時(shí)鐘停止。
STOP4 - 所有的內(nèi)部電路供電(全調(diào)節(jié)模式)和內(nèi)部時(shí)鐘源仍處于最高頻率最快的恢復(fù)。
停止3 - 所有的內(nèi)部電路松散的監(jiān)管和時(shí)鐘源的最低值(125 kHz的最大值),提供用電和恢復(fù)速度之間的良好平衡。
停止2 - 內(nèi)部電路的部分電源關(guān)閉; RAM內(nèi)容被保留。在低功耗模式,此設(shè)備。需要復(fù)位從停止2模式恢復(fù)。
在運(yùn)行,等待和停止模式普遍存在于現(xiàn)代MCU和非常功耗節(jié)能設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。尤其是,應(yīng)用程序,只定期使用主CPU - 也許只進(jìn)行平均大量讀數(shù)或管理接收到的數(shù)據(jù)緩沖器,當(dāng)緩沖器接近充滿 - 可以通過(guò)關(guān)閉CPU和讓智能節(jié)省功率的戲劇性量外圍設(shè)備處理盡可能多的成為可能。等待和停止之間的區(qū)別通常體現(xiàn)在響應(yīng)時(shí)間,因?yàn)樗ǔP枰L(zhǎng)的時(shí)間來(lái)塊從低功耗狀態(tài)通電(即減少一個(gè)典型的停止模式下,靜態(tài)),而不是刪除一個(gè)時(shí)鐘門控信號(hào)一個(gè)塊(即只減少動(dòng)態(tài)電流在典型等待模式)。
可以在MCF51QE128的LPrun和LPwait模式提供了另一種技術(shù),通過(guò)運(yùn)行在CPU和/或外圍設(shè)備,以降低功耗低得多的頻率比正常。當(dāng)操作不容易被周期性地執(zhí)行,而且必須連續(xù)運(yùn)行,而不必在高速運(yùn)行時(shí)非常有用。例如,通信數(shù)據(jù)包可能以高速在正常運(yùn)行模式中接收,但LPrun可以用來(lái)處理數(shù)據(jù)。這是特別有用的,如果處理時(shí)間是依賴于數(shù)據(jù)的,并且不能經(jīng)由周期性很容易地進(jìn)行管理。一旦數(shù)據(jù)被處理時(shí),LPwait狀態(tài)可以進(jìn)入等待,直到下一數(shù)據(jù)分組需要被接收。
結(jié)合使用不同的電源域和低功耗模式允許多種有效實(shí)現(xiàn)。尋找各種時(shí)鐘頻率,低功耗模式和狀態(tài)轉(zhuǎn)換的最佳組合可以是一個(gè)艱巨的運(yùn)動(dòng),通常需要事先對(duì)具體實(shí)施工作要做,或者你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)使用已選定的設(shè)備并影響項(xiàng)目進(jìn)度不能滿足你的操作要求顯著。理想情況下,你會(huì)希望能夠模擬各種運(yùn)行功率水平,估計(jì)電池壽命為目標(biāo)的應(yīng)用程序。幸運(yùn)的是(或者也許是因?yàn)樗麄兠靼走@一點(diǎn)的難度)的MCU廠商都創(chuàng)造了一些評(píng)估工具,我們可以用它來(lái)解決這個(gè)難題。
軟件工具幫助評(píng)估電力需求和電池壽命
其中一個(gè)使用的工具越容易從Microchip XLP電池壽命(BLE)1。這個(gè)免費(fèi)下載的工具,與任何XLP工程估算功耗在整個(gè)應(yīng)用程序。它也可以被用于獲取的功耗為您的XLP MCU設(shè)計(jì)內(nèi)鍵例程詳細(xì)估計(jì)。下面的圖3顯示了BLE的圖形用戶界面(GUI)。您只需選擇您的設(shè)備,你的電壓和溫度,然后你的目標(biāo)電池(步驟1至3的GUI)。然后,您可以指定關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用程序,定義工作頻率,該函數(shù)使用模式下,時(shí)間的功能被激活和各種模塊(如ADC,UART,定時(shí)器等)功能時(shí)有效。 (在下面的例子中有一個(gè)在運(yùn)行模式在16兆赫,兩種功能并在1 MHz的運(yùn)行模式功能的功能)的軟件自動(dòng)確定在每個(gè)功能所使用的電流,然后報(bào)告所估計(jì)的電池壽命該設(shè)計(jì)。在這個(gè)例子中,電池的壽命估計(jì)在不到200天。一個(gè)完整的文本文件,報(bào)告可以生成保存程序設(shè)置和結(jié)果。一個(gè)例子示于圖3的底部。
將Microchip XLP電池壽命估算程序映像
圖3:Microchip的XLP電池壽命估算程序 - GUI和報(bào)告
使用的電池壽命估算程序可以很容易地找出關(guān)鍵程序和您的應(yīng)用程序使用最多的功率。這使您可以調(diào)整設(shè)計(jì),同時(shí)嘗試不同的設(shè)備,以找到合適的實(shí)現(xiàn)。這樣做之前,詳細(xì)的編碼和電路板設(shè)計(jì)可以節(jié)省你浪費(fèi)顯著努力探索的選項(xiàng),將無(wú)法實(shí)現(xiàn),你需要一個(gè)成功的設(shè)計(jì)的電源效率。
一旦你有信心,你的選擇,你可以再取使用評(píng)估套件,如Microchip的PIC24F評(píng)估和演示工具包的下一個(gè)步驟。通常,這些套件包括了豐富的示例代碼,參考設(shè)計(jì)和豐富的文檔,可以很容易編寫你的關(guān)鍵程序和測(cè)量實(shí)際的功率水平,你會(huì)在全面實(shí)施得到。
新的低功耗技術(shù)的高效電池的實(shí)現(xiàn)方案
MCU廠商也在推動(dòng)技術(shù)信封不斷創(chuàng)造從頭開始
新的低功耗功能。創(chuàng)造低功耗面向MCU的使用新的非易失性存儲(chǔ)器的鐵電RAM或FRAM,它結(jié)合了速度,靈活性一個(gè)家庭,和SRAM的耐力與閃光燈的和可靠性,都在較低的總功率消耗。 FRAM存儲(chǔ)器具有超低功耗和快速(每字125納秒)寫道。 FRAM可以用作程序,數(shù)據(jù),或存儲(chǔ)到簡(jiǎn)化應(yīng)用開發(fā)。 FRAM的超低功耗,非易失性使其成為電池供電的MCU應(yīng)用需要,如數(shù)據(jù)匯總和傳感器預(yù)處理顯著存儲(chǔ)訪問(wèn)和計(jì)算能力的絕佳選擇。
該FR微控制器系列還具有關(guān)鍵的低功耗模式,智能外設(shè),以及先進(jìn)的處理能力。圖4中的顯示所有關(guān)鍵MCU功能的MSPFR5731 / 5/9的設(shè)備可用。還檢查了TI產(chǎn)品培訓(xùn)模塊,涵蓋了TI MSP430FR MCU系列的特性,并展示了如何在FRAM技術(shù)為各種應(yīng)用顯著的低功耗優(yōu)勢(shì)。
德州儀器MSP430FR5731 / 5/9框圖圖片
圖4:德州儀器MSP430FR5731 / 5/9框圖。
結(jié)論
很多應(yīng)用程序?qū)⑹褂秒姵毓╇姷腗CU實(shí)現(xiàn)和電源效率將是成功的產(chǎn)品是至關(guān)重要的。選擇合適的MCU為您實(shí)現(xiàn)更容易,當(dāng)你使用一個(gè)功率估計(jì)工具來(lái)選擇合適的設(shè)備為您的目標(biāo)應(yīng)用程序。
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