MCU 將成為大多數面向物聯網 （IoT） 的設計中的主要控制元素，并且這些 MCU 可能由電池供電。電源效率對于實現可接受的電池壽命至關重要，因此 MCU 需要比以往更精確地管理電池使用。許多 MCU 具有幫助管理電池電量的特殊功能，并且以最佳方式使用這些功能可能會決定市場的成敗。

　　本文將快速回顧實現基于電池的高效 MCU 設計所需的一些關鍵特性，并將使用示例器件說明這些特性如何提高效率和電池壽命。幫助估計電池壽命的軟件工具將用于展示如何在詳細設計實施之前估計壽命。這極大地有助于器件選擇，并且是創建節能設計的關鍵技術。

　　管理電源域

　　在考慮基于電池的 MCU 實現時，我們最初可能會假設有一個 MCU 電源域，用電池供電，我們的目標是管理這個電源域，以創建盡可能節能的 MCU 實現。然而，很快我們就會發現這種假設通常是錯誤的，即使是簡單的 MCU 通常也有多個片上電源域。事實證明，當電源效率對我們的設計至關重要時，擁有多個電源域可能是一個很大的優勢。擁有多個域可以讓我們更有效地管理和控制 MCU 部分的電源，這些部分基于我們需要為特定實現執行的功能。

　　STM32F0x1 MCU 系列（例如，STM32F051K8U6）是 STM32 MCU 系列中的入門級器件，因此是可經常用于基于電池的應用的器件的一個很好的例子。下面的圖 1 顯示了 STM32F0x1/x2 器件可用的各種電源域。V DDA域為器件中面向模擬的模塊供電，并包括用于 A/D 轉換器、D/A 轉換器、溫度傳感器、復位發生器和時鐘 PLL 的功能。V DDIO2電源域在 STM32F04x/7x/9x 器件上可用，并在需要支持不同的 I/O 標準時提供獨立的 I/O 電源軌（此電源電壓范圍可以從 1.65 到 3.6 V，以涵蓋各種I/O 標準）。主 V DD電源域為大部分設備供電。這包括非 STM32F04x/7x/9x 器件上的 I/O 環、待機電路和通常始終開啟的喚醒邏輯，它還通過以下方式為 1.8 V 數字內核（處理器、存儲器和數字外設）供電片上穩壓器。

　　圖 1：STM32F0x1/x2 電源顯示電池備份域。（意法半導體提供）

　　來自外部 V BAT引腳的最終電源域為備用域供電。備份功能包括一個低能耗的 32 KHz 晶體時鐘振蕩器，即使在設備的其余部分斷電時也能保持其值的備份寄存器（便于在系統復位和電源波動之間保存重要數據），以及真正的-時鐘（RTC）塊。當 V DD信號低于設定閾值時，低壓檢測器可以自動切換到 V BAT輸入，以簡化電池備份的實施。

　　這些獨立的電源域可以根據應用所需的操作輕松控制和管理提供給 MCU 的電源。例如，如果設備正在等待 RTC 發出開始模數轉換的時間信號，則可以在僅電池備用域運行的情況下關閉大部分設備。RTC 超時可以切換 I/O 信號以提醒外部電源管理設備，然后該設備可以打開其他電源域。這可能是一種非常節能的技術，但需要外部電源和電池管理設備。

　　在某些應用中，STM32F0x1/x2 器件將通過將器件的各個部分置于低功耗模式、管理時鐘頻率和測量電壓源以檢測低電壓電平何時可能影響操作來自行管理關鍵模塊的電池和電源。 在這些應用中，多個片上電壓域和低功耗工作模式都是關鍵要求。現在讓我們更詳細地了解低功耗模式，看看它們如何與多個片上電源域一起工作，以進一步提高基于電池的實現的電源效率。

　　為了幫助工程師進行設計開發，意法半導體提供了其 STM32F0 系列的產品培訓模塊概述。

　　低功耗 MCU 工作模式可提高電源效率

　　現在幾乎每個 MCU 都提供各種低功耗工作模式，通過限制工作頻率和/或關鍵模塊的可操作性來降低工作功耗。這些模式有多種名稱，但它們的功能通常非常相似。飛思卡爾 MCF51QE _當電源效率對您的應用至關重要時，MCU 系列是您應該尋找的低功耗工作模式類型的一個很好的例子。圖 2 顯示了狀態轉換圖和簡單的功率調節表，以說明如何使用這些模式來提高功率效率。運行模式不限制操作，調節器在完全開啟狀態下運行。在其他模式中，各種模塊通過關閉關鍵元件的電源或通過降低工作頻率來使用較低的功率運行。例如，在等待模式下，CPU 關閉以節省電力，但外設以全時鐘速率運行。當不需要 CPU 操作但定時器或通信外設必須繼續操作時，這可以節省電力。通常這些外設可以在需要 CPU 時通過中斷喚醒 CPU。關閉 CPU 的能力可以節省大量的運行功率，因為?? CPU 在運行時會使用 MCU 的大部分功率預算。以下部分提供了每種低功耗模式的更詳細說明。

　　圖 2：飛思卡爾 MCF51QE128 低功耗模式。（由飛思卡爾提供）

　　運行模式 — CPU 時鐘可以全速運行，內部電源完全調節。

　　LPrun 模式 — CPU 和外設時鐘限制為 250 kHz CPU 時鐘和 125 kHz 總線時鐘最大值，并且內部電源處于軟調節狀態。

　　等待模式——CPU 關閉以節省電力；外設時鐘正在運行并保持完全調節。

　　LPwait 模式——CPU 關閉以節省電力；外設時鐘以降低的速度運行（最大 125 kHz），內部穩壓器運行在松散調節模式下。

　　停止模式 — 系統（CPU 和外設）時鐘停止。

　　Stop4 — 所有內部電路都通電（完全調節模式），內部時鐘源仍處于最大頻率以實現最快恢復。

　　Stop3 — 所有內部電路都松散調節，時鐘源處于最小值（最大值 125 kHz），在功率利用率和恢復速度之間提供了良好的折衷。

　　Stop2——內部電路部分掉電；RAM 內容被保留。此設備的最低功耗模式。從 Stop2 模式返回需要復位。

　　運行、等待和停止模式在現代 MCU 中普遍存在，并為非常節能的設計提供了基礎。特別是，僅定期使用主 CPU 的應用程序（可能僅用于平均大量傳感器讀數或在緩沖區快滿時管理接收到的數據緩沖區）可以通過關閉 CPU 并讓智能外圍設備盡可能多地處理算法。等待和停止之間的區別通常反映在響應時間上，因為從低功耗狀態（這會降低典型停止模式中的靜態電流）為模塊上電通常需要更長的時間，而不是移除時鐘門控信號以啟動一個塊（僅減少典型等待模式下的動態電流）。

　　MCF51QE128 中可用的LPrun和 LPwait 模式提供了另一種通過以比正常低得多的頻率運行 CPU 和/或外設來降低功耗的技術。當操作不容易定期執行并且必須連續運行但不需要高速運行時，這很有用。例如，在正常運行模式下可能會高速接收通信數據包，但可以使用 LPrun 來處理數據。如果處理時間取決于數據并且不能通過周期性定時器中斷輕松管理，這將特別有用。一旦數據處理完畢，就可以進入LPwait狀態，等待下一個數據包需要接收。

　　結合使用各種電源域和低功耗模式，可以實現多種高效實現。找到各種時鐘頻率、低功耗模式和狀態轉換的最佳組合可能是一項艱巨的任務，通常需要在詳細實施之前完成，否則您可能會發現使用已選擇的器件無法滿足您的操作要求并影響項目進度顯著地。理想情況下，您希望能夠對各種工作功率水平進行建模并估計目標應用的電池壽命。幸運的是（或者可能是因為他們理解這個困難）MCU 制造商已經創建了一些我們可以用來解決這個難題的估計工具。

　　軟件工具有助于估計功率要求和電池壽命

　　更易于使用的工具之一是Microchip XLP 電池壽命估算器 （BLE） 1. 這款可免費下載的工具可與任何 XLP MCU 配合使用，以估算整個應用的功耗。它還可用于獲取 XLP MCU 設計中關鍵例程的功耗的詳細估計值。下面的圖 3 顯示了 BLE 的圖形用戶界面 （GUI）。您只需選擇您的設備、電壓和溫度，然后選擇您的目標電池（GUI 中的步驟 1 到 3）。然后，您可以在應用程序中指定關鍵操作，定義操作頻率、函數使用的模式、函數激活的時間以及函數期間激活的各種模塊（如 ADC、UART、定時器等）。（在下面的示例中，在 16 MHz 的運行模式中有一個功能，兩個睡眠模式功能和一個 1 MHz 的運行模式功能）軟件自動確定每個功能中使用的電流，然后報告設計的估計電池壽命。在示例中，電池壽命估計為不到 200 天。可以生成完整的文本文件報告以保存程序設置和結果。圖 3 底部顯示了一個示例。

　　圖 3：Microchip XLP 電池壽命估算器程序——GUI 和報告。（由微芯片提供）

　　使用電池壽命估算器程序可以輕松識別關鍵例程以及應用程序使用最多電量的位置。這使您可以調整設計，同時嘗試不同的設備以找到正確的實現。在詳細的編碼和電路板設計之前執行此操作可以避免您浪費大量精力來探索無法提供成功設計所需的電源效率的選項。

　　一旦您對自己的選擇充滿信心，您就可以進行下一步使用評估套件，例如 Microchip PIC24F評估套件。通常，這些套件包含大量示例代碼、參考設計和大量文檔，以便您輕松編寫關鍵例程并測量您在完整實施中將獲得的實際功率水平。

　　用于基于電池的高效實施的新低功耗技術

　　MCU 制造商也在推動技術發展，不斷從頭開始創造新的低功耗功能。德州儀器 （ Texas Instruments ） 使用新型非易失性存儲器鐵電 RAM 或 FRAM 創建了一系列面向低功耗的 MCU，該系列將 SRAM 的速度、靈活性和耐用性與閃存的穩定性和可靠性相結合，而且總功耗更低消耗。FRAM 存儲器具有超低功耗和快速（每字 125 ns）寫入功能。FRAM 可用作程序、數據或存儲，以簡化應用程序開發。FRAM 的超低功耗和非易失性使其成為需要大量存儲訪問和計算能力（如數據聚合和傳感器預處理）的基于電池的 MCU 應用的絕佳選擇。

　　MSP430FR MCU 系列還具有關鍵的低功耗模式、智能外設和高級處理能力。圖 4 中的框圖顯示了MSP430FR5731 /5/ 9器件中可用的所有關鍵 MCU 功能。另請查看涵蓋TI MSP430FR MCU 系列功能的 TI 產品培訓模塊，并展示 FRAM 技術如何為各種應用提供顯著的低功耗優勢。

　　圖 4：德州儀器 MSP430FR5731/5/9 框圖。（德州儀器提供）

　　結論

　　許多物聯網應用將使用基于電池的 MCU 實施方案，電源效率對于成功的產品至關重要。當您使用功率估算工具為您的目標應用選擇正確的器件時，為您的實施選擇正確的 MCU 會更容易。