中心議題：

• 正常操作時(shí)的微控制器電源特性
• 電壓轉換的好處
• 將正常操作模式的時(shí)間減到最少

解決方案：

• 集成式解決方案

今日的便攜式產(chǎn)品設計對所用的電池會(huì )有些相互沖突的要求，例如更豐富的產(chǎn)品功能會(huì )增加耗電，使用者也希望電池使用時(shí)間更長(cháng)，但不斷縮小的產(chǎn)品體積和成本限制卻使電池容量無(wú)法增加，因此節省電力就成為最重要的考慮。傳統設計為了將耗電減到最少，通常都盡可能減少電流消耗；但其實(shí)電池的蓄電量是電壓、電流和時(shí)間的乘積，要有效提升整個(gè)系統的電源效率，就必須同時(shí)考慮這三項變量。微控制器系統若以電池做為電源，這些電池又能由使用者更換，則可采用專(zhuān)為因應這些變量而設計的微控制器，因為這些微控制器可通過(guò)芯片內置電壓轉換等功能和傳統低耗電操作模式來(lái)解決前述問(wèn)題。

電池特性      

多數低端和中端便攜式產(chǎn)品都會(huì )使用可替換的電池或充電電池，這些電池還能由使用者自行更換。如圖1所示，剛充完電時(shí)的單節電池電壓通常會(huì )在1.2-1.6V之間，電力耗盡時(shí)則下降至0.9-1.0V。把兩個(gè)單節電池串聯(lián)即可提供1.8-3.2V之間的電壓。

正常操作時(shí)的微控制器電源特性       

常見(jiàn)的低耗電微控制器都能在兩顆電池的供電范圍操作。例如多數8和16位微控制器都是采用0.35微米CMOS技術(shù)，它們的操作電壓最高達到3.6V，但若電壓只有1.8V就會(huì )影響其效能。電壓較低時(shí)，數字邏輯的操作速度會(huì )變慢，模擬開(kāi)關(guān)組件的導通阻抗也會(huì )變大。組件效能同樣會(huì )隨著(zhù)電池電壓改變，只不過(guò)電池電壓與應用需求通常毫不相干。除此之外，如果數字邏輯的設計是為了在最低電池電壓下操作，它在電壓較高時(shí)就會(huì )消耗較多的電流。      

CMOS邏輯門(mén)的動(dòng)態(tài)功耗可寫(xiě)為：P = C × V2 × f，其中C為負載電容，它是設計和工藝技術(shù)的函數；V為供應電壓；f則是開(kāi)關(guān)頻率，它是應用處理需求的函數。電源電壓是控制功耗的主要手段，因此若能像C8051F9xx內含低壓差 (LDO) 穩壓器一樣，直接在芯片中增加電壓轉換功能，就能提供穩定的1.8V電壓給微控制器的數字核心 (參考圖2)，使動(dòng)態(tài)功耗大幅下降。

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電壓轉換的好處      

觀(guān)察CMOS技術(shù)的動(dòng)態(tài)功耗關(guān)系有助于了解使用LDO穩壓器的優(yōu)點(diǎn)：        
P = C × V2 × f             
   = V × (C × V × f)
   = V × I
其中動(dòng)態(tài)電流I = C × V × f       

分析動(dòng)態(tài)電流時(shí)，我們常以1MHz頻率或特定電源電壓為基準將動(dòng)態(tài)電流正規化；例如在1.8V電壓下，常見(jiàn)的低耗電微控制器每MHz會(huì )有220μA的動(dòng)態(tài)電流消耗。如果沒(méi)有電源穩壓，則在電壓為3.2V時(shí)會(huì )增加到每MHz等于220 × (3.2/1.8) = 391μA。但若使用LDO穩壓器，電池電流在整個(gè)電壓范圍都會(huì )固定在每MHz為220μA。設計人員還能升級到更先進(jìn)的0.18微米工藝技術(shù)，使數字邏輯的速度更快，電流消耗則減少2到3成。要將操作電壓降至1.8V以下其實(shí)并不難，但現有的閃存技術(shù)至少需要1.8V電壓，許多模擬外圍也需要1.8V以上的電壓來(lái)滿(mǎn)足效能和應用需求。       

圖1顯示沒(méi)有一種單電池或雙電池架構能提供1.6-1.8V間的電壓。若微控制器核心電壓在這個(gè)范圍，那么使用2顆電池時(shí)可由LDO提供所需電壓，若是1顆電池則可使用以電感為基礎的DC/DC升壓轉換器。在整個(gè)電池壽命期間，電池供電電路只需進(jìn)行升壓或降壓轉換，不必在兩種模式之間動(dòng)態(tài)切換。集成式DC/DC升壓轉換器 (例如C8051F9xx內含轉換器) 雖會(huì )使電路復雜性略增，卻能讓系統靠著(zhù)一顆電池操作，大幅降低產(chǎn)品的成本與體積。        

LDO雖能大幅降低雙電池系統的耗電，DC/DC升壓轉換器卻能提供比LDO還高的整體電源效率。在其它條件都相同的情形下，單電池設計若采用效率高達80%的DC/DC升壓轉換器，則其耗電將只有不含LDO的傳統0.35微米雙電池設計的一半。

休眠模式要求       

要提供最大電源效率和最長(cháng)電池壽命，就必須將微控制器在喚醒過(guò)程和正常模式下的操作最佳化，確保組件多數時(shí)間都處于超低耗電的休眠模式。在有些應用中，休眠模式電流是影響整體電源消耗的最大因素。       

要將休眠模式的電流減到最少，就必須關(guān)閉LDO和DC/DC轉換器，同時(shí)切斷數字核心的電源供應。它們必須能快速啟動(dòng)，以便微控制器迅速回到正常操作模式。電源管理和實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路 (RTC) 等許多模塊就算在休眠模式也要操作，故須能使用0.9-3.2V的未穩壓電源工作。切斷數字核心邏輯的電源還能防止截止狀態(tài)漏電流造成休眠模式電流增加，只不過(guò)微控制器即使進(jìn)入休眠模式，也要保存RAM內存和所有緩存器的內容，以便程序從正確的位置恢復執行。它還需要某種型式的連續供應電壓監控或電壓突降偵測 (brownout detection) 功能，確保電壓就算降到保存數據所需的最低電壓以下，這些狀態(tài)數據也不會(huì )毀損。       

最后，微控制器應能在外部事件觸發(fā)或內部計時(shí)終止時(shí)離開(kāi)休眠模式，而且最好能夠同時(shí)支持石英晶體或RC振蕩器。為了確保電池壽命最長(cháng)，整個(gè)芯片包括電壓突降偵測電路和32.768KHz石英振蕩器在內的休眠模式電流應小于1μA。舉例來(lái)說(shuō)，C8051F9xx包括電壓突降偵測電路在內的典型休眠模式電流只有50nA，還能迅速從休眠模式回到正常操作模式 (使用2顆電池時(shí)通常為2μs，1顆電池時(shí)則不到10μs)。

將正常操作模式的時(shí)間減到最少       

微控制器在休眠模式和正常模式之間切換時(shí)，盡管電流消耗較大，實(shí)際卻未做什么有用的工作?？焖賳拘褧r(shí)間能節省耗電，并對具有時(shí)效性的觸發(fā)事件迅速做出響應，例如因為串行端口動(dòng)作而回到正常模式。避免在高速系統頻率電路中使用啟動(dòng)緩慢的石英振蕩器，而應選擇精確和快速啟動(dòng)的芯片內置振蕩器。模擬模塊的啟動(dòng)方式還會(huì )對微控制器停留在正常模式的時(shí)間造成很大影響，例如使用外部解耦合電容的穩壓器或電壓參考電路可能需要數毫秒才能穩定。進(jìn)入正常操作模式后，數字核心應以最大頻率頻率工作，這樣才能讓靜態(tài)電流分攤到較多的頻率周期，使得每MHz的電流消耗降低。分析這項效能指標時(shí)，最好將所有的靜態(tài)電流源包含在內，如供應電壓和頻率監控電路、參考電壓電路、LDO穩壓器和系統頻率振蕩器。

集成式解決方案的優(yōu)點(diǎn)       

無(wú)論讓傳統微控制器搭配外接式LDO穩壓器或DC/DC升壓轉換器，其效能都比不上完全集成式解決方案。集成式組件不但大幅減少體積和成本，集成式電壓轉換器的效率通常也較高，因為它們是專(zhuān)為供電給微控制器核心所設計。最后，外接式轉換器不能關(guān)機進(jìn)入休眠模式，否則就無(wú)法提供電源給微控制器。有些外接式DC/DC升壓轉換器可于待機模式下提供電源給休眠中的微控制器，但待機模式通常會(huì )從電池汲取數十微安培的電流。