用硬件和固件降低电池供电产品的功耗

　　在电池供电产品中，如果电池寿命是关键，则节省每一个器件的电能就非常重要。这方面的解决方案包括：使用一只具有稳压功能的电荷泵作为供电电源，改变它的输出电压；当不重要的外设不处在工作状态时，将其供电电源切断；对时钟进行控制，在功耗和功能两者之间加以优化。本文介绍如何利用微控制器的可编程能力来实现真正的节能。

　　对于硬件/固件工程师来讲，最重要的是充分了解微控制器中可以利用的地方，以及可以借助的硬件，从而将功耗降至最低。设计人员可运用高效率的硬件，辅以微控制器的各种编程技术，在降低电池供电产品的功耗方面，作出实质性贡献。

　　图1尽管在微控制器外部采用低功耗外设，可大幅度降低系统功耗，我们仍然可利用微控制器的可编程特点，将微控制器本身及其外设的功耗降至最低。

　　微控制器的外部外设和内部外设都在不断发展，以满足对功耗的严格要求。尤其是降低静态电流以及优化电路设计等方法，可减少微控制器外部外设的功耗。

　　我们来看看图1所示的例子，图中电路由一只运算放大器、A/D转换器以及具备稳压功能且可调节的电荷泵组成。由电路可以看到，该简单电池供电电路是围绕PIC18F1320微控制器而设计的。

　　为了节省电能，第一个可以利用的是微控制器本身的闲置模式和睡眠模式。当微控制器处在闲置模式时，它的一部分供电电源关闭，但A/D转换器这些部件仍在运作。当微控制器处在睡眠模式下，微控制器上的电源全部切断。

　　图1中，MCP6041型运算放大器是用CMOS工艺制造的。采用这种工艺，可以将工作电压降到很低。这种带宽为14kHz、电流为600nA的运算放大器的供电电压在1.4V与5.5V之间。 就减少功耗而言，将降低供电电压和降低静态电流两者结合起来，是一个良好的开端。

　　另一种有用的方法是运用可调节电源。对于模拟电路，5V的电压是最合适了；而数字电路则可以在更低的2V电压下工作。人们更喜欢让数字电路在2V电压下工作。

　　如果使用可调节的电源转换器，它应当是在输出电流小、使用锂离子电池供电(这时电源转换器的输入电压从4.2V下降到2.8V)的情况下，针对效率进行优化设计。在图1的例子中，之所以采用一只具有稳压功能、可调节的电荷泵式 DC/DC转换器(型号为MCP1252-ADJ)，正是出于这些原因。对电池电压和功率有特殊要求时，可采用其它电源转换器。

　　在时钟精度和激活时间两者之间需要作一些折衷，这也会影响功耗。例如，32kHz晶体振荡器的激活时间在400ms与900ms之间。在这段时间里，微控制器从电池吸收功率。相比之下，微控制器内部的RC振荡器的激活时间一般是几微秒。在微控制器离开睡眠状态时，可利用内部的这个RC振荡器让它立即执行程序，但RC振荡器的频率不像装在微控制器外面的晶体振荡器那么准确。

　　和其它集成电路相比，A/D转换器的功耗与转换电路类型的关系很大。例如，同Δ－Σ转换器相比，逐次逼近A/D转换器(SAR)的转换时间和消耗电流之比就低得多。Δ－Σ转换器是可以采用的另一种A/D转换器。在电池供电产品中往往采用逐次逼近A/D转换器，除非是需要分辨率很高、精度很高的应用。

　　对独立外设进行逐个折衷、优化是重要的，但将微控制器内、外部的外设与微控制器的编程能力结合起来考虑，可节省更多的电能。例如，在MCP1252-ADJ中，可以把一个新的电路切换到电阻反馈系统当中，这样微控制器能够控制电源电压。为了让模拟电路能在最合适的电平上工作，需要电荷泵输出较高电压。然而，数字电路在工作时，例如微控制器在执行程序时，我们就希望电荷泵能输出低电压。PIC18F1320的输出电压为2V至5.5V。如果把微控制器外部外设的供电切断，加在I/O端口上的供电电压又比较低，这样就可以进一步节省电能，这是另外一个好处。

　　采用两个时钟，其运作由微控制器控制，这个办法可降低时钟在激活期间所消耗的电能。具体实现方法如下：一个时钟很快激活，用这个时钟来执行程序，在这种情况下可用内部RC振荡器；同时，另外一个较精确的振荡器正在激活。如果微控制器认为没有必要使用第二个较准确的振荡器，就把它的供电电源切断。另外，如果需用精确度较高的时钟来完成时间顺序很重要的处理工作，就要让较准确的时钟完成它的激活过程，同时把第一个时钟的供电电源切断。