MCUs將在物聯網(IoT)的主要控制元件導向設計這些MCU可能是電池供電。電源效率將是至關重要的，以達到可接受的電池壽命，因此，微控制器將需要管理電池的使用比以往任何時候都更精確。許多微控制器具有特殊的功能，幫助管理電池功率和使用這些功能的優化可以贏得或失去在市場上的差異。

　　本文將快速回顧實現高效的基于電池的MCU設計所需要的一些關鍵特性，并舉例說明如何使用這些功能提高效率和電池壽命。有助于估算電池壽命的軟件工具將用于演示如何在詳細的設計實現之前估算生命周期。這有助于設備選擇，是創建高效設計的關鍵技術。

　　電源管理領域

　　當考慮基于電池的MCU實現時，我們可能最初假設有一個MCU功率域，運行一個電池，我們的目標是管理這個功率域來創建最有效率的MCU實現。我們很快會發現，這種假設通常是虛假的，然而，即使是簡單的微控制器通常有多個電源域片。事實證明，當電源效率對我們的設計至關重要時，多個功率域是一個很大的優勢。擁有多個域可以使我們能夠更有效地管理和控制MCU的部分，而這些部分是基于我們需要為特定實現執行的功能所需要的。讓我們來看一個特定的MCU，看看多個電源域對一個典型的電池供電的設計有什么好處。

　　的stm32f0x1系列的單片機(如的stm32f051k8u6)是一款入門級設備在STM32單片機的家庭，同樣是一個可以經常用于電池應用的設備的一個很好的例子。下面的圖1顯示了可用于stm32f0x1 X2設備的各種電源域。域的VDDA權力面向塊的模擬裝置和包括A/D轉換功能、D/A轉換器、溫度傳感器、復位發生器和時鐘鎖相環。的vddio2電力領域的stm32f04x / 7x / 9X的設備可提供一個獨立的I/O電源軌時不同的I/O標準需要被支持(電源電壓范圍可以從1.65到3.6 V覆蓋多種I/O標準)。主VDD功率域為設備的大部分提供電源。這包括I / O環在non-stm32f04x / 7 9x設備，待機電路和喚醒邏輯，通常總是和權力也1.8 V的數字核心(處理器，內存，和數字外設)通過一個片上電壓調節器。

　　意法半導體stm32f0x1 X2電源圖像

　　圖1：stm32f0x1 X2電源顯示電池備份域。(由凱利訊半導體)

　　最后的電源域，來自外部的VBAT引腳，提供電源備份域。備份功能包括一個低能量32千赫晶體時鐘振蕩器，備份寄存器，保持其價值，即使電源關閉到設備的其余部分(方便保存系統復位和電源波動之間的重要數據)，和實時時鐘(RTC)塊。低電壓檢測器可以自動切換到VBAT的VDD輸入信號低于設定的閾值時，簡化電池備份的實現。

　　這些獨立的功率域可以根據應用程序所需的操作，輕松地控制和管理傳遞給MCU的功率。例如，如果設備正在等待RTC來指示它開始一個模擬到數字的時間，那么大多數設備只能通過電池備份域操作來關機。RTC超時可以切換I/O信號來警告外部電源管理設備，然后可以打開額外的電源域。這可以是一個非常省電的技術，但需要一個外部電源和電池管理設備。

　　在一些應用中的stm32f0x1 X2裝置將管理電池和電源鍵塊自己把各設備進入低功耗模式，管理時鐘頻率和測量電壓源來檢測當低壓水平可能影響操作。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看看低功耗模式，看看它們如何與多個片上功率域一起工作，以進一步提高基于電池的實現的功率效率。

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　　低功耗MCU操作模式提高功率效率

　　幾乎每個MCU現在都提供各種低功耗操作模式，通過限制關鍵塊的工作頻率和/或可操作性來降低操作功率。這些模式有多種名稱，但它們的功能往往非常相似。飛思卡爾mcf51qe系列單片機的低功耗工作模式是你應該看看當電源效率是關鍵的應用程序類型的一個很好的例子。圖2顯示了一個狀態轉換圖和一個簡單的功率調節表，說明這些模式如何用來提高功率效率。運行模式不限制操作，調節器在全狀態下工作。在其他模式下，通過將電源關閉到關鍵元件或通過降低操作頻率，各種模塊使用較低的功率操作。例如，在等待模式中，CPU關閉以節省電源，但外圍設備以全時鐘速率運行。當不需要CPU操作時，這樣可以節省電源，但定時器或通信外圍設備必須繼續工作。通常，這些外設可以在CPU需要時通過中斷喚醒CPU。關閉CPU從CPU，操作時操作大量的電力的能力，利用單片機的功率預算的大部分。下面的一節提供了每個低功耗模式的更詳細的描述。

　　飛思卡爾MCF51QE128的低功耗模式圖像

　　圖2：飛思卡爾MCF51QE128的低功耗模式。(由飛思卡爾提供)

　　運行模式- CPU時鐘可以全速運行，內部電源是完全調節的。

　　lprun模式CPU和外設的時鐘是限制在250 kHz和125 kHz的CPU時鐘總線時鐘最大和內部供應軟調節。

　　等待模式- CPU關閉，以節省電力;外圍時鐘正在運行，并保持全面的監管。

　　lpwait模式CPU關閉以節約電能;外周生物鐘運行速度降低(125 kHz最大)和內部電壓調節器是寬松監管模式運行。

　　停止模式-系統(CPU和外設)時鐘被停止。

　　stop4 -所有內部電路供電(全監管模式)和內部時鐘源仍在恢復最快最大頻率。

　　stop3 -所有內部電路的時鐘源管理松散，在最小值(最大125 kHz)，提供功率利用率和恢復速度的一個很好的折衷。

　　部分功率探針2內部電路的RAM內容被保留下來。該設備的最低功率模式。復位需要從探針2模式返回。

　　運行，等待和停止模式在現代MCU普遍和非常低功耗設計提供依據。特別是，只有周期性地使用主CPU的應用程序——可能只有在緩沖區幾乎滿的時候才能讀取大量的傳感器讀數，或者管理接收到的數據緩沖區——才能通過關閉CPU并盡可能地讓智能外設處理盡可能多的算法，從而節省大量的電量。等待和停止之間的區別通常反映在響應時間中，因為通常從一個低功耗狀態(即減少典型的停止模式中的靜態電流)向一個塊中刪除時鐘門控信號(在典型的等待模式中只減少動態電流)通常需要更長的時間。

　　LPrun和lpwait模式在MCF51QE128可用通過運行CPU和/或外設在低得多的頻率比正常降低功耗提供了另一種技術。這是有用的，當操作不容易實現周期性的，必須連續運行，但不需要高速運行。例如，通信數據包可能在正常運行模式下的高速接收，但LPrun可以用來處理數據。如果處理時間與數據相關，并且不能通過周期性定時器中斷進行簡單管理，這一點尤其有用。一旦數據被處理的lpwait狀態可以進入，等到下一個數據包需要接收。

　　組合使用不同的功率域和低功耗模式，可以實現各種高效的實現。查找各種時鐘頻率、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，通常需要在詳細實現之前完成，否則您可能會發現無法使用已選擇的設備滿足您的操作要求，并對項目進度產生重大影響。理想情況下，您希望能夠模擬各種操作功率級別，并為目標應用程序估計電池壽命。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評估工具。

　　軟件工具幫助估計功率需求和電池壽命

　　一個容易使用的工具是Microchip XLP的電池壽命估計(BLE)1。這個免費的，可下載的工具，適用于任何XLP單片機功耗估計在整個應用程序。它也可以被用來獲取關鍵例程的功耗詳細估計在你XLP MCU設計。下圖3顯示的是圖形用戶界面(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中步驟1到3)。然后，您可以在應用程序中指定鍵操作，定義操作的頻率、函數使用的模式、函數的活動時間以及在函數中活動的各種塊(如ADC、UART、定時器等)。(在下面的例子中，在16兆赫的運行模式中有一個函數，兩個睡眠模式函數和一個1 MHz的運行模式函數)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。在本例中，電池壽命估計不足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的底部顯示了一個示例。

　　Microchip XLP的電池壽命估計程序映像

　　圖3：Microchip XLP的電池壽命估計–GUI程序和報告。(微芯片提供)

　　使用電池壽命估算程序可以很容易地識別關鍵例程和應用程序使用最多功率的地方。這允許您在嘗試不同的設備時，調整設計，以找到正確的實現。在詳細的編碼和電路板設計之前做這件事可以避免浪費大量的精力去探索那些不能提供成功設計所需的電源效率的選項。

　　一旦你有了信心，你的選擇，你可以使用一個評估套件的下一步，如Microchip PIC24F評估套件。通常，這些工具包包括大量示例代碼、引用設計和大量文檔，以便于編寫關鍵例程并度量在全面實現中將獲得的實際功率級別。

　　基于高效電池實現的新的低功耗技術

　　MCU制造商也在推動技術包絡，不斷地從底層創建新的低功耗功能。德克薩斯儀器創造了一個家庭的低功耗MCU采用了一種新的非易失性存儲器FRAM鐵電存儲器，或，將速度、靈活性和耐力與穩定性和可靠性Flash SRAM，在降低總功耗。FRAM存儲器功能超低功耗和快速(125納秒每字)寫的。框架可以作為程序，數據，或存儲來簡化應用開發。超低功耗和FRAM非波動性使得它一個很好的選擇，對于電池的單片機的應用，需要大量的存儲和計算能力，如數據融合與傳感器預處理。

　　的msp430fr MCU系列還具有關鍵的低功耗模式，智能外設，和先進的處理能力。圖4顯示了所有關鍵的單片機的功能在msp430fr5731 / 5/9設備可用。還檢查了TI產品培訓模塊，涵蓋了鈦msp430fr MCU系列的特點，顯示了FRAM技術提供了顯著的低功耗優勢為各種各樣的應用。

　　德克薩斯儀器msp430fr5731 / 5/9塊圖圖像

　　圖4：德克薩斯儀器msp430fr5731 / 5/9塊圖。(由凱利訊半導體提供)

　　結論

　　許多物聯網應用將使用基于電池的MCU實現，電源效率將是成功產品的關鍵。當使用功率估算工具為目標應用程序選擇正確的設備時，為您的實現選擇合適的MCU更容易一些。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的MCU控制的电池管理是成功的物联网实现的关键的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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