作者：Jukka Eskelinen，tinyAVR系列產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān)

　 　Kim Meyer，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師

　　Atmel公司　　

     不論是消費(fèi)、工業(yè)還是醫(yī)療應(yīng)用，功耗優(yōu)化一般都是通過縮短有效處理時(shí)間以及延長(zhǎng)處理器睡眠模式時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的。不過，隨著超低功率應(yīng)用的出現(xiàn)，這種方法已然無法滿足要求。單電池工作、接近電池閾值的充放電，電機(jī)和/或高亮LED的控制需求，以及減小器件外形尺寸并降低成本，種種趨勢(shì)已經(jīng)改變了開發(fā)人員的功耗優(yōu)化方式。

　　對(duì)于電動(dòng)牙刷、PMP、遙控器、無線傳感器以及其它便攜和手持式設(shè)備來說，必須將功率管理貫穿于系統(tǒng)的各個(gè)層面。通過高效單電池電壓轉(zhuǎn)換優(yōu)化功耗、利用多種電流模式、引入智能電池管理、在應(yīng)用級(jí)采用節(jié)能技術(shù)，便可以在整個(gè)系統(tǒng)范圍實(shí)現(xiàn)功耗調(diào)節(jié)。

　　高效的電壓轉(zhuǎn)換

　　許多超低功率應(yīng)用都在向單電池架構(gòu)方向發(fā)展，以降低器件成本，減小尺寸和重量。這三個(gè)要素也是決定電池供電便攜式應(yīng)用產(chǎn)品成功與否的關(guān)鍵。很多時(shí)候，電池甚至比其它所有元器件加上PCB還要重。此外，標(biāo)準(zhǔn)AA或AAA電池通常是PCB上最大的組件。將電源精簡(jiǎn)為單個(gè)電池的方案頗具吸引力，因?yàn)槠淠軌蚝?jiǎn)化電池座設(shè)計(jì)，并使產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)變得更輕巧。

　　不過，單電池電源的設(shè)計(jì)也給設(shè)計(jì)人員帶來了各種新的挑戰(zhàn)。雖然當(dāng)完全充滿電后，單電池的電壓范圍通常在1.2V-1.5V，但實(shí)際上即便電池電壓降至1V以下，仍有相當(dāng)多的能量可供使用。電源電壓為1.8V的MCU需要至少兩個(gè)電池串聯(lián)工作。而有些應(yīng)用，比如利用很大的正向電壓驅(qū)動(dòng)高亮度LED，更是需要4個(gè)電池之多。為了通過單電池來驅(qū)動(dòng)電機(jī)、LED甚至是處理器本身，必須利用一個(gè)調(diào)節(jié)器，把現(xiàn)有電壓提升到合適的水平。然而升壓調(diào)節(jié)器的成本幾乎就相當(dāng)于一個(gè)MCU，而且還需要占用很多PCB空間。此外，有些調(diào)節(jié)器還必須通過MCU來控制，從而進(jìn)一步增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

　　MCU內(nèi)的集成自管理升壓調(diào)節(jié)器的無縫工作，不僅可以避免由外部調(diào)節(jié)器帶來的大多數(shù)成本和空間問題，而且相比采用外部DC-DC轉(zhuǎn)換器，其MCU還能提供更高的功效。例如，集成式調(diào)節(jié)器ATtiny43U（見圖1）就能夠提升低至0.7V的電壓，較之由其它類型實(shí)現(xiàn)方案支持的技術(shù)更能在接近電池儲(chǔ)量的極限下放電。一個(gè)集成式調(diào)節(jié)器還可實(shí)現(xiàn)相當(dāng)小的無功電流（ATtiny43U的典型值是1μA），而且一旦有足夠電壓，就能夠自動(dòng)啟動(dòng)（1.2V表示滿電池或接近充電完成）。

　　圖1. 集成一個(gè)升壓調(diào)節(jié)器使ATtiny43U能夠在電壓低至0.7 V的單電池下工作，有效驅(qū)動(dòng)高達(dá)10mA的負(fù)載電流。而且，相比其它類型的實(shí)現(xiàn)方案，它更允許放電更接近電池儲(chǔ)量的極限。

　　除此之外，這種調(diào)節(jié)器還支持所有的電池技術(shù)，賦予設(shè)計(jì)人員充分自由來選擇針對(duì)某種特定應(yīng)用的最佳電池。電池電壓范圍為0.7V-1.8V，開發(fā)人員可以使用1.6V堿性電池或氧化銀電池、1.5V鋰電池、1.4V鋅空氣電池（Zinc-Air），以及1.2V鎳氫和鎳鎘電池等。

　　升壓及低電流模式

　　對(duì)許多應(yīng)用而言，無外部驅(qū)動(dòng)電路的大電流能力也十分重要。ATtiny43U的升壓調(diào)節(jié)器具有高達(dá)30mA的電流驅(qū)動(dòng)能力，能夠直接控制高亮LED和小型電機(jī)。由于該調(diào)節(jié)器是MCU的一個(gè)集成部分，所以可針對(duì)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，最大限度提高效率。例如，圖2就顯示了ATtiny43U對(duì)基于剩余電荷的特定負(fù)載電流的轉(zhuǎn)換效率。

　　圖2. 一個(gè)集成式升壓調(diào)節(jié)器針對(duì)其MCU架構(gòu)而優(yōu)化，使不同負(fù)載和電源電壓下的轉(zhuǎn)換效率最大化。由于無需外部調(diào)節(jié)器，集成式調(diào)節(jié)器還能減小板上空間要求，降低總體系統(tǒng)成本。

　　如圖所示，相比電流較小的工作，大電流工作的效率更低。不過，大部分大電流應(yīng)用并不需要在大電流模式下連續(xù)工作。譬如，電動(dòng)牙刷或相機(jī)只是偶爾才啟動(dòng)電機(jī)工作。如果其架構(gòu)被鎖定在大電流模式，即使在只需要很小耗電量的情況下，這些設(shè)備的工作效率也很低；這就是說，調(diào)節(jié)器將以大電流工作條件下的低效率特性來提供低電流。

　　要維持效率的話，MCU便必須能夠支持多種工作模式。于是，當(dāng)設(shè)備需要大電流和嚴(yán)格調(diào)節(jié)的Vcc時(shí)，MCU和調(diào)節(jié)器便會(huì)在調(diào)節(jié)模式（Regulated Mode）下工作。另一方面，當(dāng)電機(jī)或其它外設(shè)閑置，且負(fù)載電流降至0.6mA以下時(shí)，調(diào)節(jié)器則自動(dòng)切換到低電流模式（Low Current Mode），更有效地調(diào)節(jié)功耗。

　　圖3. 本圖所示為一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器在不同負(fù)載下的典型輸出電壓曲線。在輕載或空載時(shí)（綠色曲線），測(cè)得的轉(zhuǎn)換時(shí)間（上升電壓）為數(shù)百微秒，而閑置時(shí)間（下降電壓）為數(shù)秒。要注意的是這種變化是發(fā)生在MCU處于省電模式或功耗極小時(shí)。在主要工作模式，即有源調(diào)節(jié)模式下，輸出電壓仍保持穩(wěn)定（3V +/- 100mV）（紅色曲線）。

　　此外，在輕載或空載時(shí)，調(diào)節(jié)模式下的轉(zhuǎn)換器將周期性達(dá)到它的占空比低限。通過自動(dòng)切換到低電流模式，轉(zhuǎn)換器便停止轉(zhuǎn)換，耗電量被降至最小，但同時(shí)仍然保持有源狀態(tài)（見圖3）。當(dāng)MCU處于斷電或功耗極小時(shí)，輸出電壓便會(huì)出現(xiàn)這種變化。而在主要工作模式，即有源調(diào)節(jié)模式（Active Regulated Mode）下，輸出電壓仍保持穩(wěn)定（3V±100mV）。另外需注意的是，典型轉(zhuǎn)換電壓會(huì)隨電池能量的消耗而變化（見圖4）。調(diào)節(jié)器是一個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，無需MCU的主動(dòng)管理。不過，對(duì)于那些需要更直接地控制升壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)人員而言，某些特性可利用軟件來加以控制。

　　圖4. 有源低電流模式（Active Low Current Mode） 和有源調(diào)節(jié)模式（Active Regulated Mode）之間的典型轉(zhuǎn)換范圍取決于可用的輸入電壓和負(fù)載。

　　由于實(shí)際效率取決于應(yīng)用，故集成所有與功率調(diào)節(jié)相關(guān)的無源器件毫無意義。例如，成本是某些市場(chǎng)的主導(dǎo)因素，而在另一些市場(chǎng)，最重要的推動(dòng)力卻可能是使用壽命。與其被迫采用針對(duì)其它市場(chǎng)而優(yōu)化的無源器件，或所有應(yīng)用都還算滿意但非最佳的產(chǎn)品，開發(fā)人員還不如選擇能夠給自己的應(yīng)用提供最佳平衡的的無源元件。而這只需區(qū)區(qū)幾個(gè)元件就可以做到（即一個(gè)電感、兩個(gè)旁路電容和一個(gè)肖特基二極管）。

　　不論是消費(fèi)、工業(yè)還是醫(yī)療應(yīng)用，功耗優(yōu)化一般都是通過縮短有效處理時(shí)間以及延長(zhǎng)處理器睡眠模式時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的。不過，隨著超低功率應(yīng)用的出現(xiàn)，這種方法已然無法滿足要求。單電池工作、接近電池閾值的充放電，電機(jī)和/或高亮LED的控制需求，以及減小器件外形尺寸并降低成本，種種趨勢(shì)已經(jīng)改變了開發(fā)人員的功耗優(yōu)化方式。

　　對(duì)于電動(dòng)牙刷、PMP、遙控器、無線傳感器以及其它便攜和手持式設(shè)備來說，必須將功率管理貫穿于系統(tǒng)的各個(gè)層面。通過高效單電池電壓轉(zhuǎn)換優(yōu)化功耗、利用多種電流模式、引入智能電池管理、在應(yīng)用級(jí)采用節(jié)能技術(shù)，便可以在整個(gè)系統(tǒng)范圍實(shí)現(xiàn)功耗調(diào)節(jié)。

　　高效的電壓轉(zhuǎn)換

　　許多超低功率應(yīng)用都在向單電池架構(gòu)方向發(fā)展，以降低器件成本，減小尺寸和重量。這三個(gè)要素也是決定電池供電便攜式應(yīng)用產(chǎn)品成功與否的關(guān)鍵。很多時(shí)候，電池甚至比其它所有元器件加上PCB還要重。此外，標(biāo)準(zhǔn)AA或AAA電池通常是PCB上最大的組件。將電源精簡(jiǎn)為單個(gè)電池的方案頗具吸引力，因?yàn)槠淠軌蚝?jiǎn)化電池座設(shè)計(jì)，并使產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)變得更輕巧。

　　不過，單電池電源的設(shè)計(jì)也給設(shè)計(jì)人員帶來了各種新的挑戰(zhàn)。雖然當(dāng)完全充滿電后，單電池的電壓范圍通常在1.2V-1.5V，但實(shí)際上即便電池電壓降至1V以下，仍有相當(dāng)多的能量可供使用。電源電壓為1.8V的MCU需要至少兩個(gè)電池串聯(lián)工作。而有些應(yīng)用，比如利用很大的正向電壓驅(qū)動(dòng)高亮度LED，更是需要4個(gè)電池之多。為了通過單電池來驅(qū)動(dòng)電機(jī)、LED甚至是處理器本身，必須利用一個(gè)調(diào)節(jié)器，把現(xiàn)有電壓提升到合適的水平。然而升壓調(diào)節(jié)器的成本幾乎就相當(dāng)于一個(gè)MCU，而且還需要占用很多PCB空間。此外，有些調(diào)節(jié)器還必須通過MCU來控制，從而進(jìn)一步增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

　　MCU內(nèi)的集成自管理升壓調(diào)節(jié)器的無縫工作，不僅可以避免由外部調(diào)節(jié)器帶來的大多數(shù)成本和空間問題，而且相比采用外部DC-DC轉(zhuǎn)換器，其MCU還能提供更高的功效。例如，集成式調(diào)節(jié)器ATtiny43U（見圖1）就能夠提升低至0.7V的電壓，較之由其它類型實(shí)現(xiàn)方案支持的技術(shù)更能在接近電池儲(chǔ)量的極限下放電。一個(gè)集成式調(diào)節(jié)器還可實(shí)現(xiàn)相當(dāng)小的無功電流（ATtiny43U的典型值是1μA），而且一旦有足夠電壓，就能夠自動(dòng)啟動(dòng)（1.2V表示滿電池或接近充電完成）。

　　圖1. 集成一個(gè)升壓調(diào)節(jié)器使ATtiny43U能夠在電壓低至0.7 V的單電池下工作，有效驅(qū)動(dòng)高達(dá)10mA的負(fù)載電流。而且，相比其它類型的實(shí)現(xiàn)方案，它更允許放電更接近電池儲(chǔ)量的極限。

　　除此之外，這種調(diào)節(jié)器還支持所有的電池技術(shù)，賦予設(shè)計(jì)人員充分自由來選擇針對(duì)某種特定應(yīng)用的最佳電池。電池電壓范圍為0.7V-1.8V，開發(fā)人員可以使用1.6V堿性電池或氧化銀電池、1.5V鋰電池、1.4V鋅空氣電池（Zinc-Air），以及1.2V鎳氫和鎳鎘電池等。

　　升壓及低電流模式

　　對(duì)許多應(yīng)用而言，無外部驅(qū)動(dòng)電路的大電流能力也十分重要。ATtiny43U的升壓調(diào)節(jié)器具有高達(dá)30mA的電流驅(qū)動(dòng)能力，能夠直接控制高亮LED和小型電機(jī)。由于該調(diào)節(jié)器是MCU的一個(gè)集成部分，所以可針對(duì)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，最大限度提高效率。例如，圖2就顯示了ATtiny43U對(duì)基于剩余電荷的特定負(fù)載電流的轉(zhuǎn)換效率。

　　圖2. 一個(gè)集成式升壓調(diào)節(jié)器針對(duì)其MCU架構(gòu)而優(yōu)化，使不同負(fù)載和電源電壓下的轉(zhuǎn)換效率最大化。由于無需外部調(diào)節(jié)器，集成式調(diào)節(jié)器還能減小板上空間要求，降低總體系統(tǒng)成本。

　　如圖所示，相比電流較小的工作，大電流工作的效率更低。不過，大部分大電流應(yīng)用并不需要在大電流模式下連續(xù)工作。譬如，電動(dòng)牙刷或相機(jī)只是偶爾才啟動(dòng)電機(jī)工作。如果其架構(gòu)被鎖定在大電流模式，即使在只需要很小耗電量的情況下，這些設(shè)備的工作效率也很低；這就是說，調(diào)節(jié)器將以大電流工作條件下的低效率特性來提供低電流。

　　要維持效率的話，MCU便必須能夠支持多種工作模式。于是，當(dāng)設(shè)備需要大電流和嚴(yán)格調(diào)節(jié)的Vcc時(shí)，MCU和調(diào)節(jié)器便會(huì)在調(diào)節(jié)模式（Regulated Mode）下工作。另一方面，當(dāng)電機(jī)或其它外設(shè)閑置，且負(fù)載電流降至0.6mA以下時(shí)，調(diào)節(jié)器則自動(dòng)切換到低電流模式（Low Current Mode），更有效地調(diào)節(jié)功耗。

　　圖3. 本圖所示為一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器在不同負(fù)載下的典型輸出電壓曲線。在輕載或空載時(shí)（綠色曲線），測(cè)得的轉(zhuǎn)換時(shí)間（上升電壓）為數(shù)百微秒，而閑置時(shí)間（下降電壓）為數(shù)秒。要注意的是這種變化是發(fā)生在MCU處于省電模式或功耗極小時(shí)。在主要工作模式，即有源調(diào)節(jié)模式下，輸出電壓仍保持穩(wěn)定（3V +/- 100mV）（紅色曲線）。

　　此外，在輕載或空載時(shí)，調(diào)節(jié)模式下的轉(zhuǎn)換器將周期性達(dá)到它的占空比低限。通過自動(dòng)切換到低電流模式，轉(zhuǎn)換器便停止轉(zhuǎn)換，耗電量被降至最小，但同時(shí)仍然保持有源狀態(tài)（見圖3）。當(dāng)MCU處于斷電或功耗極小時(shí)，輸出電壓便會(huì)出現(xiàn)這種變化。而在主要工作模式，即有源調(diào)節(jié)模式（Active Regulated Mode）下，輸出電壓仍保持穩(wěn)定（3V±100mV）。另外需注意的是，典型轉(zhuǎn)換電壓會(huì)隨電池能量的消耗而變化（見圖4）。調(diào)節(jié)器是一個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，無需MCU的主動(dòng)管理。不過，對(duì)于那些需要更直接地控制升壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)人員而言，某些特性可利用軟件來加以控制。

　　圖4. 有源低電流模式（Active Low Current Mode） 和有源調(diào)節(jié)模式（Active Regulated Mode）之間的典型轉(zhuǎn)換范圍取決于可用的輸入電壓和負(fù)載。

　　由于實(shí)際效率取決于應(yīng)用，故集成所有與功率調(diào)節(jié)相關(guān)的無源器件毫無意義。例如，成本是某些市場(chǎng)的主導(dǎo)因素，而在另一些市場(chǎng)，最重要的推動(dòng)力卻可能是使用壽命。與其被迫采用針對(duì)其它市場(chǎng)而優(yōu)化的無源器件，或所有應(yīng)用都還算滿意但非最佳的產(chǎn)品，開發(fā)人員還不如選擇能夠給自己的應(yīng)用提供最佳平衡的的無源元件。而這只需區(qū)區(qū)幾個(gè)元件就可以做到（即一個(gè)電感、兩個(gè)旁路電容和一個(gè)肖特基二極管）。

　　智能電池管理

　　準(zhǔn)確估算剩余能量，是最大化電視電量使用率的重要因素。譬如，充電電池需要在設(shè)置范圍內(nèi)進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控和充電控制，以確保電池的安全使用，并獲得盡可能長(zhǎng)的使用壽命。剩余電荷的估算越準(zhǔn)確，電池就越能夠接近極限容量來安全充放電，而不必?fù)?dān)心因充放電過度對(duì)電池造成損害。

　　雖然更精密的電池充放電控制意味著電池有更多可用能量，從而使用時(shí)間更長(zhǎng)，但這種控制方式缺乏靈活性，而且可能嚴(yán)重限制處理器能夠支持的電池技術(shù)。例如，不同化學(xué)性質(zhì)的電池具有不同的安全充放電電壓閾值，如果MCU有固定閾值或在閾值配置方式上有所限制，那么其就會(huì)成為MCU有效管理的電池技術(shù)方面的障礙。因此，開發(fā)人員可能會(huì)被迫根據(jù)所選用的MCU來使用特定電池，而不是選擇最適合的電池技術(shù)。

　　對(duì)于必須替換電池的應(yīng)用，支持充電電池的靈活性至關(guān)重要。充電電池的閾值相比一次性電池大為不同，如果消耗過度，可能會(huì)損害其總體充電容量。由此造成的使用時(shí)間縮短，極可能被歸類為設(shè)備故障而不是電池故障。ATtiny43U的固件能夠利用內(nèi)建ADC來監(jiān)控電池電壓，并決定什么時(shí)候讓設(shè)備進(jìn)入停機(jī)模式（Stop Mode），從而徹底消耗一次性電池的電量，同時(shí)確保充電電池在多個(gè)充電周期上都能夠獲得最長(zhǎng)的使用時(shí)間。

　　雖然自動(dòng)關(guān)斷處理器可以保護(hù)充電電池，但是從應(yīng)用的角度來看，突然斷電可能是不可接受的。例如，突然關(guān)斷相機(jī)會(huì)致使鏡頭暴露在外，令鏡頭容易受損。因此，設(shè)計(jì)人員可以通過一個(gè)重要的功率管理元件來準(zhǔn)確估算剩余的能量。比如，利用ATtiny43U的10位ADC每隔一定時(shí)間對(duì)電池電壓進(jìn)行測(cè)量，就可以達(dá)到前述目的。采用這種方法，就有機(jī)會(huì)在設(shè)備關(guān)斷之前，讓各個(gè)器件進(jìn)入安全配置。

　　在應(yīng)用級(jí)實(shí)現(xiàn)高功效

　　許多應(yīng)用都會(huì)加入一個(gè)MCU作為主機(jī)處理器的輔助處理器，用于卸載顯示器刷新、鍵盤監(jiān)控、小型電機(jī)工作以及智能電池管理等任務(wù)。采用輔助處理器的優(yōu)勢(shì)在于，MCU能夠以高于應(yīng)用處理器的功效來執(zhí)行這些功能。譬如，一個(gè)監(jiān)控鍵盤的應(yīng)用處理器必須被頻繁喚醒來執(zhí)行任務(wù)。而因?yàn)镸CU在工作模式下的功耗小于應(yīng)用處理器，所以采用MCU來監(jiān)控鍵盤及更新顯示器便可以使應(yīng)用處理器更長(zhǎng)時(shí)間地連續(xù)處于睡眠狀態(tài)，從而節(jié)省可觀的能量。

　　當(dāng)然，處理效率也對(duì)功效有重大影響，因?yàn)镸CU每個(gè)周期能執(zhí)行的工作越多，它進(jìn)入睡眠模式的速度也就越快。而提高時(shí)鐘頻率會(huì)增加功耗，故效率更高的MCU架構(gòu)能夠支持在單個(gè)周期內(nèi)一個(gè)動(dòng)態(tài)工作頻率和執(zhí)行指令，并執(zhí)行外設(shè)自動(dòng)化管理。

　　超低功耗MCU還需要多種睡眠模式。例如，一個(gè)傳感器應(yīng)用可以監(jiān)控溫度，直到它超過閾值。如果在監(jiān)控期間整個(gè)MCU處于工作模式的話，所消耗的能量會(huì)比實(shí)際需要的更多。支持不同的睡眠模式，允許開發(fā)人員關(guān)斷設(shè)備的不同部分，實(shí)現(xiàn)更佳的節(jié)能效果（見表1）。

　　表1. 超低功耗MCU具有多種睡眠模式，因此在僅需有限功能而無需整個(gè)MCU以大功率工作模式工作的時(shí)候，開發(fā)人員可在不同的低功耗閑置模式下配置一個(gè)超低功耗MCU。

　　ATtiny43U架構(gòu)中有數(shù)種架構(gòu)創(chuàng)新技術(shù)，可供開發(fā)人員用于提高工作模式和睡眠模式下的功效：

　　精確的電源電壓：雖然MCU可以接受單電壓電源，但在架構(gòu)上它可能有多個(gè)不同的內(nèi)部電壓。這樣的設(shè)計(jì)方法帶來了低功效，因?yàn)閯?dòng)態(tài)功率高于預(yù)期。若所有模擬外設(shè)、閃存、EEPROM及RAM都工作在同一個(gè)電壓下時(shí)，設(shè)備的總體功耗便會(huì)降低。

　　泄漏電流最小化：溫度、電源電壓和工藝技術(shù)都會(huì)影響泄漏電流。超低功耗MCU不是對(duì)現(xiàn)有架構(gòu)進(jìn)行修改，使其能夠在更低電壓之下工作，而是必須以功效為理念從頭開始設(shè)計(jì)，而愛特梅爾的picoPower AVR微控制器系列就是一個(gè)示例。

　　低功率欠壓檢測(cè)（Brown-Out Detection， BOD）：雖然零功率欠壓檢測(cè)器不會(huì)消耗功率，但它們的響應(yīng)速度也很慢，可能需要足足一毫秒的時(shí)間來檢測(cè)閾值以下的電壓，這就給MCU帶來了風(fēng)險(xiǎn)。相反地，“睡眠BOD”卻能夠在2微秒內(nèi)檢測(cè)出欠壓情況，而耗電量只有20μA。由于MCU在深睡眠模式下無需欠壓保護(hù)，這時(shí)可關(guān)斷睡眠BOD，并達(dá)致零功耗。采用這種方法，開發(fā)人員便能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)低功耗和快速響應(yīng)。

　　數(shù)字輸入中斷寄存器（DIDR）： 外設(shè)（比如ADC）的多路輸入，可以提高小引腳數(shù)目器件的設(shè)計(jì)靈活性。不過，在加載Vcc/2范圍內(nèi)的電壓時(shí)，含有輸入緩沖器的晶體管將出現(xiàn)電流泄漏。這時(shí)，若使用專門的輸入中斷寄存器，在每一個(gè)模擬輸入中加入一個(gè)禁止位，開發(fā)人員便可以單獨(dú)禁止輸入緩沖器，避免泄漏的發(fā)生。

　　時(shí)鐘門控：時(shí)鐘門控技術(shù)可以降低任何時(shí)鐘域的切換頻率。任何沒有使用的時(shí)鐘都可以進(jìn)行門控，從而避免無謂的功耗。

　　省電寄存器：雖然多種睡眠模式可簡(jiǎn)化功率管理，但它們往往只能夠啟動(dòng)或關(guān)斷整個(gè)外設(shè)部分。這樣，即使只使用一個(gè)外設(shè)，其它的外設(shè)也必須處于工作狀態(tài)下。省電寄存器（Power Reduction Register）可讓開發(fā)人員能夠完全單獨(dú)控制各個(gè)外設(shè)模塊的開關(guān)。在工作模式下禁用某個(gè)外設(shè)模塊可以降低5-10%的總功耗；在閑置模式下則可節(jié)省10-20%。

　　閃存采樣：傳統(tǒng)的閃存設(shè)計(jì)是要在工作模式下維持激活狀態(tài)。然而，在時(shí)鐘速率較低時(shí)，閃存讀取時(shí)間將小于時(shí)鐘周期。閃存采樣技術(shù)就是讓閃存以10ns數(shù)量級(jí)的速度對(duì)陣列內(nèi)容進(jìn)行采樣，然后立即禁用，從而降低平均功耗。

　　快速喚醒：如果系統(tǒng)被喚醒速度很慢，就不得不以更長(zhǎng)時(shí)間處于工作模式下，以適應(yīng)更長(zhǎng)的延時(shí)，防止實(shí)時(shí)事件處理的中斷。換言之，MCU被喚醒的速度越快，它停留在睡眠模式下的時(shí)間就越長(zhǎng)。

　　在評(píng)估不同的超低功率MCU規(guī)格時(shí)，開發(fā)人員必須頭腦清醒，從而確保等效測(cè)量結(jié)果的比較。例如，應(yīng)該考慮到：

　　· 某個(gè)范圍內(nèi)的效率：效率規(guī)格通常是根據(jù)MCU的最佳測(cè)量（最佳點(diǎn)）結(jié)果而不是負(fù)載電流電壓上的結(jié)果給出。某個(gè)應(yīng)用的典型工作范圍可能使其位于較低效率的曲線上。此外，效率必須在電池的整個(gè)電壓降范圍上進(jìn)行估算。

　　· 電池的安全工作范圍：雖然MCU的耗電量也許相當(dāng)小，但如果無法足夠精確地測(cè)量電壓和溫度，那么電池限值就可能被超過，導(dǎo)致電池受損及使用時(shí)間縮短。在確定設(shè)備可安全使用的電池能量時(shí)，精度是一個(gè)關(guān)鍵因素。

　　· 調(diào)節(jié)器低效：無升壓調(diào)節(jié)器的MCU有更高的效率規(guī)格，因?yàn)檗D(zhuǎn)換損耗隱藏在外部調(diào)節(jié)器中。此外，在單電池設(shè)計(jì)中，如果MCU沒有集成調(diào)節(jié)器，切記把外部升壓調(diào)節(jié)器的成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜性考慮在內(nèi)。

　　· 設(shè)備整個(gè)使用范圍內(nèi)的效率：在驅(qū)動(dòng)大電流時(shí)，MCU的效率可能很高，但除非它有多個(gè)工作模式，否則在驅(qū)動(dòng)低電流時(shí)，它的效率會(huì)很低。因此，如果應(yīng)用并非經(jīng)常需要大電流能力，總體效率便會(huì)降低。

　　· 規(guī)格是利用單個(gè)還是多個(gè)電池測(cè)得：某些MCU規(guī)格會(huì)隨著所用電池的數(shù)量而改變。例如，如果有多個(gè)電池，便可以避過使用內(nèi)部升壓調(diào)節(jié)器，從而提高效率。反之，在只使用單個(gè)電池時(shí)，利用多個(gè)電池獲得的各種規(guī)格（比如喚醒時(shí)間）可能會(huì)降低。

　　· 開發(fā)環(huán)境的成熟度：實(shí)現(xiàn)超低功率需要架構(gòu)層的創(chuàng)新?；谌录軜?gòu)的超低功率MCU常常最多只能提供仍在開發(fā)中的有限設(shè)計(jì)工具。由于軟件開發(fā)是最重要的成本因素之一，設(shè)計(jì)工具的穩(wěn)定性、完整性和功能性，在幫助開發(fā)人員有效地管理功耗，以及快速把產(chǎn)品推向市場(chǎng)時(shí)發(fā)揮了舉足輕重的作用。

　　圖5. 利用STK600和ATtinyx3U頂層模塊等演示工具套件，開發(fā)人員可測(cè)量實(shí)際工作條件下的功效。這些工具套件讓開發(fā)人員能夠全面使用ATtiny43U的功能和Ateml豐富成熟的開發(fā)工具套件來測(cè)試單電池工作，獲得高亮度LED的功率曲線，調(diào)節(jié)功率閾值，從而在安全范圍內(nèi)充分利用電池的最大容量。

　　確定MCU功耗如何“超低”的方法之一，是自己對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。演示工具套件（Demo Kits）為測(cè)試MCU在實(shí)際工作條件下的效率以及利用其功能集提供了行之有效的手段。例如，只要把ATtinyx3U頂層模塊（top module） 連接在STK600開發(fā)板上，開發(fā)人員便能夠全面使用ATtiny43U的功能和Atmel全面的開發(fā)工具套件（見圖5）。利用該模塊，開發(fā)人員可以測(cè)試單電池工作的限值，在直接驅(qū)動(dòng)高亮LED的同時(shí)設(shè)定功耗輪廓，以及驅(qū)動(dòng)集成式升壓調(diào)節(jié)器的自動(dòng)關(guān)斷和上電功能，以調(diào)節(jié)功率閾值，在安全范圍內(nèi)充分利用電池的最大容量。

　　本文小結(jié)

　　單電池設(shè)計(jì)無需備用電池載荷，而備用電池往往正是超低功率系統(tǒng)中最重和體積最大的組件。集成了片上調(diào)節(jié)器并具有可配置模式的MCU ，可以有效彌補(bǔ)MCU的極小電源電壓和標(biāo)準(zhǔn)單電池技術(shù)的典型輸出電壓之間的差距，使開發(fā)人員得以把已有負(fù)載條件及電池電壓下的功耗降至最小。只需一個(gè)電池，無需外部調(diào)節(jié)器，憑借低至0.7V的電池耗電能力，以及用于LED和小型電機(jī)的大電流能力，設(shè)計(jì)人員便能夠以最低的成本、絕對(duì)超低的功耗設(shè)計(jì)出緊湊型的電池供電設(shè)備。

　　作者：Jukka Eskelinen，tinyAVR系列產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān)

　　Kim Meyer，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師

　　Atmel公司