面向超低功耗设计的微控制器功效优化方案

2011-02-22 21:12:10来源: 互联网
不论是消费、工业还是医疗应用,功耗优化一般都是通过缩短有效处理时间以及延长处理器睡眠模式时间来实现的。不过,随着超低功率应用的出现,这种方法已然无法满足要求。单电池工作、接近电池阈值的充放电,电机和/或高亮LED的控制需求,以及减小器件外形尺寸并降低成本,种种趋势已经改变了开发人员的功耗优化方式。

  对于电动牙刷、PMP、遥控器、无线传感器以及其它便携和手持式设备来说,必须将功率管理贯穿于系统的各个层面。通过高效单电池电压转换优化功耗、利用多种电流模式、引入智能电池管理、在应用级采用节能技术,便可以在整个系统范围实现功耗调节。

  高效的电压转换

  许多超低功率应用都在向单电池架构方向发展,以降低器件成本,减小尺寸和重量。这三个要素也是决定电池供电便携式应用产品成功与否的关键。很多时候,电池甚至比其它所有元器件加上PCB还要重。此外,标准AA或AAA电池通常是PCB上最大的组件。将电源精简为单个电池的方案颇具吸引力,因为其能够简化电池座设计,并使产品的整体结构变得更轻巧。

  不过,单电池电源的设计也给设计人员带来了各种新的挑战。虽然当完全充满电后,单电池的电压范围通常在1.2V-1.5V,但实际上即便电池电压降至1V以下,仍有相当多的能量可供使用。电源电压为1.8V的MCU需要至少两个电池串联工作。而有些应用,比如利用很大的正向电压驱动高亮度LED,更是需要4个电池之多。为了通过单电池来驱动电机、LED甚至是处理器本身,必须利用一个调节器,把现有电压提升到合适的水平。然而升压调节器的成本几乎就相当于一个MCU,而且还需要占用很多PCB空间。此外,有些调节器还必须通过MCU来控制,从而进一步增加了设计的复杂性。

  MCU内的集成自管理升压调节器的无缝工作,不仅可以避免由外部调节器带来的大多数成本和空间问题,而且相比采用外部DC-DC转换器,其MCU还能提供更高的功效。例如,集成式调节器ATtiny43U(见图1)就能够提升低至0.7V的电压,较之由其它类型实现方案支持的技术更能在接近电池储量的极限下放电。一个集成式调节器还可实现相当小的无功电流(ATtiny43U的典型值是1μA),而且一旦有足够电压,就能够自动启动(1.2V表示满电池或接近充电完成)。

图1. 集成一个升压调节器使ATtiny43U能够在电压低至0.7 V的单电池下工作,有效驱动高达10mA的负载电流。而且,相比其它类型的实现方案,它更允许放电更接近电池储量的极限。

  除此之外,这种调节器还支持所有的电池技术,赋予设计人员充分自由来选择针对某种特定应用的最佳电池。电池电压范围为0.7V-1.8V,开发人员可以使用1.6V碱性电池或氧化银电池、1.5V锂电池、1.4V锌空气电池(Zinc-Air),以及1.2V镍氢和镍镉电池等。

  升压及低电流模式

  对许多应用而言,无外部驱动电路的大电流能力也十分重要。ATtiny43U的升压调节器具有高达30mA的电流驱动能力,能够直接控制高亮LED和小型电机。由于该调节器是MCU的一个集成部分,所以可针对架构进行优化,最大限度提高效率。例如,图2就显示了ATtiny43U对基于剩余电荷的特定负载电流的转换效率。

ATtiny43U对基于剩余电荷的特定负载电流的转换效率

图2. 一个集成式升压调节器针对其MCU架构而优化,使不同负载和电源电压下的转换效率最大化。由于无需外部调节器,集成式调节器还能减小板上空间要求,降低总体系统成本。

  如图所示,相比电流较小的工作,大电流工作的效率更低。不过,大部分大电流应用并不需要在大电流模式下连续工作。譬如,电动牙刷或相机只是偶尔才启动电机工作。如果其架构被锁定在大电流模式,即使在只需要很小耗电量的情况下,这些设备的工作效率也很低;这就是说,调节器将以大电流工作条件下的低效率特性来提供低电流。

  要维持效率的话,MCU便必须能够支持多种工作模式。于是,当设备需要大电流和严格调节的Vcc时,MCU和调节器便会在调节模式(Regulated Mode)下工作。另一方面,当电机或其它外设闲置,且负载电流降至0.6mA以下时,调节器则自动切换到低电流模式(Low Current Mode),更有效地调节功耗。

一个升压转换器在不同负载下的典型输出电压曲线

  图3. 本图所示为一个升压转换器在不同负载下的典型输出电压曲线。在轻载或空载时(绿色曲线),测得的转换时间(上升电压)为数百微秒,而闲置时间(下降电压)为数秒。要注意的是这种变化是发生在MCU处于省电模式或功耗极小时。在主要工作模式,即有源调节模式下,输出电压仍保持稳定(3V +/- 100mV)(红色曲线)。

  此外,在轻载或空载时,调节模式下的转换器将周期性达到它的占空比低限。通过自动切换到低电流模式,转换器便停止转换,耗电量被降至最小,但同时仍然保持有源状态(见图3)。当MCU处于断电或功耗极小时,输出电压便会出现这种变化。而在主要工作模式,即有源调节模式(Active Regulated Mode)下,输出电压仍保持稳定(3V±100mV)。另外需注意的是,典型转换电压会随电池能量的消耗而变化(见图4)。调节器是一个独立的子系统,无需MCU的主动管理。不过,对于那些需要更直接地控制升压调节器的设计人员而言,某些特性可利用软件来加以控制。

典型转换电压会随电池能量的消耗而变化

图4. 有源低电流模式(Active Low Current Mode) 和有源调节模式(Active Regulated Mode)之间的典型转换范围取决于可用的输入电压和负载。

  由于实际效率取决于应用,故集成所有与功率调节相关的无源器件毫无意义。例如,成本是某些市场的主导因素,而在另一些市场,最重要的推动力却可能是使用寿命。与其被迫采用针对其它市场而优化的无源器件,或所有应用都还算满意但非最佳的产品,开发人员还不如选择能够给自己的应用提供最佳平衡的的无源元件。而这只需区区几个元件就可以做到(即一个电感、两个旁路电容和一个肖特基二极管)。

关键字:面向  低功耗  低功耗设计  设计

编辑:小来 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2011/0222/article_1881.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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