单节 MCU 操作集成解决方案的优势

　　如果您的设计无需借助外部升压转换器即可从消耗单节电池中受益，请考虑针对低电压操作和超低功耗进行优化的 MCU。当您将集成板载外围设备和内部电源的节能加总起来时，您会远远领先于使用分立解决方案。

　　直到最近，即使是市场上最低电压、最低功耗的 MCU 也需要至少 1.8 V 的电源才能运行——至少需要两节碱性电池串联才能运行。然而，一个新的 MCU 系列现在提供的最低工作电压仅为 0.9 V——单个碱性电池的寿命终止电压。

　　例如，通过使用单节电池运行，您可以用类似外形尺寸的较大单节电池替换两个较小的电池，同时延长产品电池寿命。或者，您可以使用两个现有电池并将它们并联而不是串联连接，从而再次显着延长产品电池寿命。这种并联电池连接确实需要一种机械装置来防止两个电池的反向连接，但在其他方面是最大化电池寿命的好方法。

　　另一种可能性是移除一个电池，从而使您的产品更小更便宜。您可能会想象卸下电池会使产品的电池寿命缩短一半。然而，正如我们将很快看到的那样，情况不一定如此。

　　从单个单元运行

　　当然，可以使用独立的 DC/DC 升压转换器创建一个系统，该转换器可以从 0.9 V 运行标准 MCU，方法是提高输入电压以提供 1.8 V 或更高的电源。然而，这种独立的方法在电池供电的嵌入式系统中存在许多限制。为了最小化电流消耗，最好在不需要时禁用 DC/DC 转换器。但是，如果 DC/DC 转换器关闭，那么 MCU 将没有电源电压，并且在没有某种外部输入的情况下将无法维持实时时钟或重新启动系统。更糟糕的是，当 DC/DC 转换器被禁用时，MCU 将丢失其全部 RAM 内容。然而，在不禁用 DC/DC 转换器的情况下，系统的待机电流消耗（即使 MCU 处于睡眠模式）仍可保持较高水平，

　　除此之外，还需要考虑 DC/DC 转换器和 MCU 的有​​源效率。大多数独立的 DC/DC 解决方案设计为在向负载提供至少 150 mW（在大多数情况下，甚至更多）时效率最高，而在负载较轻的情况下效率要低得多。相比之下，典型的 MCU 设备从电源中消耗的功率不到 30 mW，这会导致 DC/DC 效率低得惊人，在 50% 到 70% 的范围内。

　　因此，是否有另一种更有效的解决方案？如果您要将优化的低功耗 DC/DC 转换器集成到与 MCU 相同的硅片上会怎样？这可以很容易地降低系统成本和电路板空间。如果您还包括保留 RAM 内容并使用低至 0.9 V 的低输入电压运行实时时钟的能力，那么 MCU 可以控制自己的电源系统。如果您还要优化标准 MCU 外设和功能，包括待机模式、从睡眠中唤醒和快速代码执行，以尽可能降低泄漏电流和功耗，那么该设备可以支持单节电池操作，同时仍然有电池寿命可与双电池实现相媲美。

　　集成解决方案的优势

　　这描述了Silicon Labs为其C8051F9xx MCU系列采用的方法。具体来说，该器件在 MCU 中集成了一个高度优化的升压 DC/DC 转换器，可以将输入电池电压（介于 0.9 和 1.5 V 之间）提升至 1.8 和 3.3 V 之间的可编程输出电压。这个升压电压然后用于 MCU 的 I/O 引脚和模拟外设。如图 1 所示，通过使用优化的 65 mW DC/DC 转换器，转换器效率可保持高达 80% 至 90%。

　　图 1：优化的 DC/DC 转换器效率。

　　不仅如此，由于这款 DC/DC 转换器能够提供 65 mW 的总输出功率，因此升压后的输出电压还可用于为外部组件提供电压供应。通过这种方式，可以避免与其他更高电压 IC 或传感器接口的一些潜在问题——以 3 V 驱动蓝色 LED，甚至提供足够的电压来驱动 LCD 或 OLED 显示器。

　　为了进一步提高系统效率，新系列的 MCU 内核和数字外设采用内部调节的 1.7 V 电源供电，在高达 25 MIPS 的速度下仅消耗 170 uA/MHz。图 2 简要概述了这个新 MCU 系列的电源架构。

　　图 2：C80519xx 电源架构。

　　功能效率

　　当然，提供高效的集成电源系统并不是全部。不同的操作模式和切换时间，以及模拟、数字和通信外设都会对系统的整体功耗产生影响。

　　低功耗 MCU 最明显的数据表参数包括待机和活动模式功耗数据。如上所述，制造商通常会引用每兆赫兹 （mA/MHz） 的毫安数来说明设备使用的不同时钟速度。

　　与此相关，在查看有源功耗时，虽然有悖常理，但通常情况下，更高的有源时钟速度在平均功耗方面比以低得多的速度运行 MCU 更有效。CMOS 处理器通常在其运行能力较快的一端效率更高，然后可以在低功耗待机或关机模式下花费更多时间。

　　出于同样的原因，精心设计的快速 ADC 也可以提供高效的系统测量。然而，给定系统中 ADC 的速度可能会受到需要较长采集时间的较高输入阻抗的限制。此外，为了在电池供电系统中获得一致的 ADC 结果，通常使用单独的参考电压，并且有时将其集成到 MCU 中。但是，如果能够在几微秒内给出结果的快速 ADC 必须等待几毫秒以使电压基准稳定下来，系统的效率就会受到影响。

　　Silicon Labs 新设备上使用的 ADC 和电压基准模块提供了市场上最短的唤醒和处理时间。高速内部基准电压在 1.7 µs 内稳定，因此一旦 MCU 唤醒就准备就绪，允许 300 ksps 10 位 ADC 立即开始转换。

　　在混合信号 MCU 中，相对简单的模拟比较器通常由中断驱动，能够唤醒设备并在某种程度上独立于处理器内核运行。但是，还可以通过向 ADC 模块添加某种程度的“自主”操作来实现进一步的功率效率。

　　最新的 Silicon Labs ADC 模块支持突发模式（执行一系列 16 次转换并自动累积结果而无需 MCU 干预）和窗口比较器模式（仅当结果在特定“窗口”内时才中断 MCU）感兴趣的值 — 以及提供与 DC/DC 转换器工作周期中“最安静”部分同步的能力。

　　碱性电池不是唯一的电池

　　几种单节电池化学成分适合为这些 MCU 的集成 DC/DC 转换器提供 1.5 至 0.9 V 的输入电压。这包括几乎所有 AA 和 AAA 型电池，包括碱性电池、镍氢电池、镍镉电池和锂电池，以及锌空气和氧化银“纽扣电池”。

　　但是，对于其他电池类型，标称电池输出更高——例如电压在 3.0 和 2.0 V 之间的锂“纽扣电池”。此外，使用更高电源电压可能还有其他原因。通过将设备配置为“双电池”模式，此类应用仍然可以利用超低功耗和效率。再次参考图 2，您可以看到 DC/DC 转换器可以完全禁用，从而使 MCU 能够支持 1.8 到 3.6 V 之间的输入电压。

　　估计系统电池寿命

　　让设计人员能够轻松地估计电池寿命新设计——通常使用复杂的电子表格来完成的任务——Silicon Labs 提供了一个简单、免费、可下载的 PC 实用程序，即“电池寿命估算器”。

　　对于任何系统或应用，当设计人员选择电池类型和“放电曲线”（如图 3 所示的一些基本功耗参数）时，软件会比较单、双串联和双并联电池配置总电池寿命，考虑到自放电和保质期的影响。软件的输出是一个图表，显示电池电压与时间的关系以及电池寿命的数值估计，如图 4 所示。

　　图 3：电池寿命估算器放电曲线。

　　图 4：电池寿命估算器仿真。

　　通过使用测量值或估计值并修改保存的放电曲线，设计人员可以通过选择电池配置来评估不同系统特性的长期影响，甚至可以比较具有竞争力的 MCU 解决方案。

　　总结

　　通过将高效和优化的电源组件与 MCU 器件相结合，现在可以拥有一个功能强大的超低功耗片上系统，该系统可以从单个电池一直运行到 0.9 V。

　　Silicon Labs 的新 C8051F9xx 系列在通用 MCU 市场上是独一无二的，能够以这种方式运行。它同时支持全速 25 MHz 处理、300 ksps ADC 的无限制操作，甚至重写器件的闪存程序存储器。尽管提供了所有这些功能以及高达 64 KB 的板载闪存程序存储器和 4 KB 的 RAM，但这些器件的封装尺寸仅为 4 x 4 mm。