让 MSP430 功耗更低的秘诀 — 第 2 部分 - 全文

在上周的《让低功耗 MSP430 的功耗更低》一文中，我们探讨了特别有趣的 MSP430 属性：尽管 MSP430 的电源电压范围很宽（1.8 至 3.6V），但功耗会随提供给 MCU 的特定电压变化而变化。换句话说，电源电压从 1.8V 提高到 3.6V 会明显增大电池的流耗。这是我们想要尽量避免的，因为这样只会导致电池电量更快耗尽，最终给这部分用户带来困扰。

这就是稳压器能帮上忙的地方。我们正在通过降低电源电压有效限制流耗。

然而，在选择稳压器时有几个应该重视的注意事项。首先，一定要知道何时使用 LDO，何时使用 DC/DC 转换器。尽管 DC/DC 转换器的高效率特性很有吸引力，但考虑应用的占空比或您希望 MSP430 进入休眠状态的频繁程度也很重要。原因在于当 MSP430 处于低功耗模式时，从电池获取的电流远远小于工作状态下的电流消耗。而且它处在较轻负载下时，典型降压转换器（即降压 DC/DC 转换器）的效率开始降低。请看一下在轻负载模式下降压转换器 TPS62122 的效率曲线：

尽管转换开关在这些较轻负载下性能非常出色，但一旦输出电流降至 uA 范围时，其性能就开始降低了。当在提供小于 100uA 电流时，我们预计效率会远远低于 70%。

让我们将其与 LDO 对比。与 DC/DC 转换器不同，LDO 的效率不会随输出电流出现很大变化。其通常可简化为：

对于这个实例，可以说在大多数条件下效率可预计为：

但是，一旦输出电流变得越来越轻，该公式就会出现问题。在这种情况下考虑功耗时，我们还必须将 LDO 的静态电流纳入考虑因素。为此，我们必须使用以下公式：

可以说我们正在使用 TPS78222 向正处于低功耗模式下的 MSP430 提供 10uA 电流。由于 TPS782 具有 420nA 的静态电流，我们应该将效率预计在 70.3%。我们看到效率有所下降，是因为不得不考虑提供给 LDO 的静态电流。然而由于该静态电流非常小，因此几乎没有影响所需的高效率。在您希望您的MSP430 处于低功耗模式下以延迟时间周期时，最重要的是提供尽可能低的静态电流。

如前文所述，选择最高效率的选项，取决于您希望您的 MSP430 以什么样的频率进入低功耗模式。健身腕带或智能手表等可佩戴应用并非总是处于工作状态，它们可能有很长的空闲时间周期，可以让 MSP430 进入低功耗模式。在这种情况下流耗会下降，如下图中低功耗模式所示：

如果应用的大部分时间都处于这种模式下，那么更高效率的选项通常就是低静态电流 LDO。但如果应用具有较高的占空比，转换开关通常将实现更长的电池使用寿命。

回想一下，TI 最近发布了一款降压 DC/DC 转换器，其可在轻负载下保持很高的效率，在这方面可匹敌 LDO。TPS62740 是一款 360nA 静态电流的转换开关，即使在向负载提供 10uA 的电流时，也能保持 90% 的效率。这是一款非常好的器件，它可在工作及低功耗模式下保持如此高的效率。当然，不足之处是解决方案尺寸较大，所产生的电磁辐射可能会影响应用。

在支持小型可穿戴应用时，尽量使组件小型化非常重要。这里，根据应用的尺寸情况，LDO 可能比降压转换器更合适，因为它具有更少的外部组件，而且无需电感器。

到目前为止应该非常明显了，在低静态电流 LDO 或 DC/DC 转换器之间进行选择要取决于具体应用。但能确定的一点是添加稳压器对延长应用电池使用寿命非常关键。这可能不太直观，但降低提供给 MSP430 的工作电压确实能限制各种电池的流耗。

幸运的是，5 系列和 6 系列 MSP430 都能通过集成 PMM 或电源管理模块来充分发挥这一优势。如下图所示，需要根据系统频率使用四个不同内核电压中的一个来为 MSP430F643x 供电：

您可根据所需的内核电压对内部稳压器进行数字编程来获得其中一个内核电压，并可通过选择尽可能低的内核电压来按照上述逻辑有效节省电源，例如降低工作电压可减少内核所需的电流。这样做的好处是无外部稳压器可带来更低功耗的优势。然而唯一的限制是在您的电池电压高于 MSP430 的最大允许电源电压 (3.6V) 范围时。在这种情况下，需要稳压来将电池电压降低至 MSP430 的电源范围内。这对通常提供 4.2V 电压的锂离子电池来说很常见。低静态电流 LDO 或高效率降压转换器可在将功耗保持最低的同时降低该电压。

当涉及低功耗计算时，MSP430 是最佳选择。其低功耗模式可帮助它节省大量电源。但是，我们还应该记住，电源电压也可决定 MCU 所消耗电流的量。利用低静态电流 LDO 或高效率 DC/DC 转换器将电池电压降到较低水平，我们可有效延长电池使用寿命。幸运的是，最新 MSP430 系列可通过内部 PMM 来充分发挥这一属性优势。但有时仍然需要降低电压使其处于可接受的电压范围内。记住，增加一样东西未必总是使其更大。