MCUs將在物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的主要控制元件導(dǎo)向設(shè)計(jì)這些MCU可能是電池供電。電源效率將是至關(guān)重要的，以達(dá)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(shí)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(yōu)化可以贏得或失去在市場(chǎng)上的差異。

　　本文將快速回顧實(shí)現(xiàn)高效的基于電池的MCU設(shè)計(jì)所需要的一些關(guān)鍵特性，并舉例說(shuō)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(xì)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)之前估算生命周期。這有助于設(shè)備選擇，是創(chuàng)建高效設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

　　電源管理領(lǐng)域

　　當(dāng)考慮基于電池的MCU實(shí)現(xiàn)時(shí)，我們可能最初假設(shè)有一個(gè)MCU功率域，運(yùn)行一個(gè)電池，我們的目標(biāo)是管理這個(gè)功率域來(lái)創(chuàng)建最有效率的MCU實(shí)現(xiàn)。我們很快會(huì)發(fā)現(xiàn)，這種假設(shè)通常是虛假的，然而，即使是簡(jiǎn)單的微控制器通常有多個(gè)電源域片。事實(shí)證明，當(dāng)電源效率對(duì)我們的設(shè)計(jì)至關(guān)重要時(shí)，多個(gè)功率域是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。擁有多個(gè)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(shí)現(xiàn)執(zhí)行的功能所需要的。讓我們來(lái)看一個(gè)特定的MCU，看看多個(gè)電源域?qū)σ粋€(gè)典型的電池供電的設(shè)計(jì)有什么好處。

　　的stm32f0x1系列的單片機(jī)(如的stm32f051k8u6)是一款入門(mén)級(jí)設(shè)備在STM32單片機(jī)的家庭，同樣是一個(gè)可以經(jīng)常用于電池應(yīng)用的設(shè)備的一個(gè)很好的例子。下面的圖1顯示了可用于stm32f0x1 X2設(shè)備的各種電源域。域的VDDA權(quán)力面向塊的模擬裝置和包括A/D轉(zhuǎn)換功能、D/A轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器、復(fù)位發(fā)生器和時(shí)鐘鎖相環(huán)。的vddio2電力領(lǐng)域的stm32f04x / 7x / 9X的設(shè)備可提供一個(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(biāo)準(zhǔn))。主VDD功率域?yàn)樵O(shè)備的大部分提供電源。這包括I / O環(huán)在non-stm32f04x / 7 9x設(shè)備，待機(jī)電路和喚醒邏輯，通常總是和權(quán)力也1.8 V的數(shù)字核心(處理器，內(nèi)存，和數(shù)字外設(shè))通過(guò)一個(gè)片上電壓調(diào)節(jié)器。

　　意法半導(dǎo)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(dǎo)體)

　　最后的電源域，來(lái)自外部的VBAT引腳，提供電源備份域。備份功能包括一個(gè)低能量32千赫晶體時(shí)鐘振蕩器，備份寄存器，保持其價(jià)值，即使電源關(guān)閉到設(shè)備的其余部分(方便保存系統(tǒng)復(fù)位和電源波動(dòng)之間的重要數(shù)據(jù))，和實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)塊。低電壓檢測(cè)器可以自動(dòng)切換到VBAT的VDD輸入信號(hào)低于設(shè)定的閾值時(shí)，簡(jiǎn)化電池備份的實(shí)現(xiàn)。

　　這些獨(dú)立的功率域可以根據(jù)應(yīng)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(shè)備正在等待RTC來(lái)指示它開(kāi)始一個(gè)模擬到數(shù)字的時(shí)間，那么大多數(shù)設(shè)備只能通過(guò)電池備份域操作來(lái)關(guān)機(jī)。RTC超時(shí)可以切換I/O信號(hào)來(lái)警告外部電源管理設(shè)備，然后可以打開(kāi)額外的電源域。這可以是一個(gè)非常省電的技術(shù)，但需要一個(gè)外部電源和電池管理設(shè)備。

　　在一些應(yīng)用中的stm32f0x1 X2裝置將管理電池和電源鍵塊自己把各設(shè)備進(jìn)入低功耗模式，管理時(shí)鐘頻率和測(cè)量電壓源來(lái)檢測(cè)當(dāng)?shù)蛪核娇赡苡绊懖僮鳌Ｔ谶@些應(yīng)用中，多個(gè)片上電壓域和低功耗工作模式都是關(guān)鍵要求。現(xiàn)在讓我們更詳細(xì)地看看低功耗模式，看看它們?nèi)绾闻c多個(gè)片上功率域一起工作，以進(jìn)一步提高基于電池的實(shí)現(xiàn)的功率效率。

　　協(xié)助工程師設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)意法半導(dǎo)體提供的stm32f0系列產(chǎn)品培訓(xùn)模塊概述。

　　低功耗MCU操作模式提高功率效率

　　幾乎每個(gè)MCU現(xiàn)在都提供各種低功耗操作模式，通過(guò)限制關(guān)鍵塊的工作頻率和/或可操作性來(lái)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(jī)的低功耗工作模式是你應(yīng)該看看當(dāng)電源效率是關(guān)鍵的應(yīng)用程序類型的一個(gè)很好的例子。圖2顯示了一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和一個(gè)簡(jiǎn)單的功率調(diào)節(jié)表，說(shuō)明這些模式如何用來(lái)提高功率效率。運(yùn)行模式不限制操作，調(diào)節(jié)器在全狀態(tài)下工作。在其他模式下，通過(guò)將電源關(guān)閉到關(guān)鍵元件或通過(guò)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(guān)閉以節(jié)省電源，但外圍設(shè)備以全時(shí)鐘速率運(yùn)行。當(dāng)不需要CPU操作時(shí)，這樣可以節(jié)省電源，但定時(shí)器或通信外圍設(shè)備必須繼續(xù)工作。通常，這些外設(shè)可以在CPU需要時(shí)通過(guò)中斷喚醒CPU。關(guān)閉CPU從CPU，操作時(shí)操作大量的電力的能力，利用單片機(jī)的功率預(yù)算的大部分。下面的一節(jié)提供了每個(gè)低功耗模式的更詳細(xì)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(yùn)行模式- CPU時(shí)鐘可以全速運(yùn)行，內(nèi)部電源是完全調(diào)節(jié)的。

　　lprun模式CPU和外設(shè)的時(shí)鐘是限制在250 kHz和125 kHz的CPU時(shí)鐘總線時(shí)鐘最大和內(nèi)部供應(yīng)軟調(diào)節(jié)。

　　等待模式- CPU關(guān)閉，以節(jié)省電力;外圍時(shí)鐘正在運(yùn)行，并保持全面的監(jiān)管。

　　lpwait模式CPU關(guān)閉以節(jié)約電能;外周生物鐘運(yùn)行速度降低(125 kHz最大)和內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器是寬松監(jiān)管模式運(yùn)行。

　　停止模式-系統(tǒng)(CPU和外設(shè))時(shí)鐘被停止。

　　stop4 -所有內(nèi)部電路供電(全監(jiān)管模式)和內(nèi)部時(shí)鐘源仍在恢復(fù)最快最大頻率。

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

　　部分功率探針2內(nèi)部電路的RAM內(nèi)容被保留下來(lái)。該設(shè)備的最低功率模式。復(fù)位需要從探針2模式返回。

　　運(yùn)行，等待和停止模式在現(xiàn)代MCU普遍和非常低功耗設(shè)計(jì)提供依據(jù)。特別是，只有周期性地使用主CPU的應(yīng)用程序——可能只有在緩沖區(qū)幾乎滿的時(shí)候才能讀取大量的傳感器讀數(shù)，或者管理接收到的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)——才能通過(guò)關(guān)閉CPU并盡可能地讓智能外設(shè)處理盡可能多的算法，從而節(jié)省大量的電量。等待和停止之間的區(qū)別通常反映在響應(yīng)時(shí)間中，因?yàn)橥ǔ囊粋€(gè)低功耗狀態(tài)(即減少典型的停止模式中的靜態(tài)電流)向一個(gè)塊中刪除時(shí)鐘門(mén)控信號(hào)(在典型的等待模式中只減少動(dòng)態(tài)電流)通常需要更長(zhǎng)的時(shí)間。

　　LPrun和lpwait模式在MCF51QE128可用通過(guò)運(yùn)行CPU和/或外設(shè)在低得多的頻率比正常降低功耗提供了另一種技術(shù)。這是有用的，當(dāng)操作不容易實(shí)現(xiàn)周期性的，必須連續(xù)運(yùn)行，但不需要高速運(yùn)行。例如，通信數(shù)據(jù)包可能在正常運(yùn)行模式下的高速接收，但LPrun可以用來(lái)處理數(shù)據(jù)。如果處理時(shí)間與數(shù)據(jù)相關(guān)，并且不能通過(guò)周期性定時(shí)器中斷進(jìn)行簡(jiǎn)單管理，這一點(diǎn)尤其有用。一旦數(shù)據(jù)被處理的lpwait狀態(tài)可以進(jìn)入，等到下一個(gè)數(shù)據(jù)包需要接收。

　　組合使用不同的功率域和低功耗模式，可以實(shí)現(xiàn)各種高效的實(shí)現(xiàn)。查找各種時(shí)鐘頻率、低功耗模式和狀態(tài)轉(zhuǎn)換的最佳組合可能是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，通常需要在詳細(xì)實(shí)現(xiàn)之前完成，否則您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)無(wú)法使用已選擇的設(shè)備滿足您的操作要求，并對(duì)項(xiàng)目進(jìn)度產(chǎn)生重大影響。理想情況下，您希望能夠模擬各種操作功率級(jí)別，并為目標(biāo)應(yīng)用程序估計(jì)電池壽命。幸運(yùn)的是(或者可能是因?yàn)樗麄兝斫膺@個(gè)困難)MCU制造商已經(jīng)創(chuàng)建了一些我們可以用來(lái)解決這個(gè)難題的評(píng)估工具。

　　軟件工具幫助估計(jì)功率需求和電池壽命

　　一個(gè)容易使用的工具是Microchip XLP的電池壽命估計(jì)(BLE)1。這個(gè)免費(fèi)的，可下載的工具，適用于任何XLP單片機(jī)功耗估計(jì)在整個(gè)應(yīng)用程序。它也可以被用來(lái)獲取關(guān)鍵例程的功耗詳細(xì)估計(jì)在你XLP MCU設(shè)計(jì)。下圖3顯示的是圖形用戶界面(GUI)。您只需選擇您的設(shè)備、電壓和溫度，然后選擇您的目標(biāo)電池(GUI中步驟1到3)。然后，您可以在應(yīng)用程序中指定鍵操作，定義操作的頻率、函數(shù)使用的模式、函數(shù)的活動(dòng)時(shí)間以及在函數(shù)中活動(dòng)的各種塊(如ADC、UART、定時(shí)器等)。(在下面的例子中，在16兆赫的運(yùn)行模式中有一個(gè)函數(shù)，兩個(gè)睡眠模式函數(shù)和一個(gè)1 MHz的運(yùn)行模式函數(shù))軟件自動(dòng)確定每個(gè)功能中使用的電流，然后報(bào)告設(shè)計(jì)的估計(jì)電池壽命。在本例中，電池壽命估計(jì)不足200天。可以生成完整的文本文件報(bào)告，以保存程序設(shè)置和結(jié)果。圖3的底部顯示了一個(gè)示例。

　　Microchip XLP的電池壽命估計(jì)程序映像

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

　　使用電池壽命估算程序可以很容易地識(shí)別關(guān)鍵例程和應(yīng)用程序使用最多功率的地方。這允許您在嘗試不同的設(shè)備時(shí)，調(diào)整設(shè)計(jì)，以找到正確的實(shí)現(xiàn)。在詳細(xì)的編碼和電路板設(shè)計(jì)之前做這件事可以避免浪費(fèi)大量的精力去探索那些不能提供成功設(shè)計(jì)所需的電源效率的選項(xiàng)。

　　一旦你有了信心，你的選擇，你可以使用一個(gè)評(píng)估套件的下一步，如Microchip PIC24F評(píng)估套件。通常，這些工具包包括大量示例代碼、引用設(shè)計(jì)和大量文檔，以便于編寫(xiě)關(guān)鍵例程并度量在全面實(shí)現(xiàn)中將獲得的實(shí)際功率級(jí)別。

　　基于高效電池實(shí)現(xiàn)的新的低功耗技術(shù)

　　MCU制造商也在推動(dòng)技術(shù)包絡(luò)，不斷地從底層創(chuàng)建新的低功耗功能。德克薩斯儀器創(chuàng)造了一個(gè)家庭的低功耗MCU采用了一種新的非易失性存儲(chǔ)器FRAM鐵電存儲(chǔ)器，或，將速度、靈活性和耐力與穩(wěn)定性和可靠性Flash SRAM，在降低總功耗。FRAM存儲(chǔ)器功能超低功耗和快速(125納秒每字)寫(xiě)的。框架可以作為程序，數(shù)據(jù)，或存儲(chǔ)來(lái)簡(jiǎn)化應(yīng)用開(kāi)發(fā)。超低功耗和FRAM非波動(dòng)性使得它一個(gè)很好的選擇，對(duì)于電池的單片機(jī)的應(yīng)用，需要大量的存儲(chǔ)和計(jì)算能力，如數(shù)據(jù)融合與傳感器預(yù)處理。

　　的msp430fr MCU系列還具有關(guān)鍵的低功耗模式，智能外設(shè)，和先進(jìn)的處理能力。圖4顯示了所有關(guān)鍵的單片機(jī)的功能在msp430fr5731 / 5/9設(shè)備可用。還檢查了TI產(chǎn)品培訓(xùn)模塊，涵蓋了鈦msp430fr MCU系列的特點(diǎn)，顯示了FRAM技術(shù)提供了顯著的低功耗優(yōu)勢(shì)為各種各樣的應(yīng)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(dǎo)體提供)

　　結(jié)論

　　許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將使用基于電池的MCU實(shí)現(xiàn)，電源效率將是成功產(chǎn)品的關(guān)鍵。當(dāng)使用功率估算工具為目標(biāo)應(yīng)用程序選擇正確的設(shè)備時(shí)，為您的實(shí)現(xiàn)選擇合適的MCU更容易一些。

總結(jié)

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?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

如果覺(jué)得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。