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利用最低功耗實(shí)現(xiàn)絕對長的電池壽命是許多深度嵌入式應(yīng)用的共同設(shè)計(jì)要求。一種基于微控制器 (mcu) 的小區(qū)電子自動(dòng)調(diào)溫器，并對電流的每一微安( a)都經(jīng)過了細(xì)致而周密的調(diào)查研究。最終得到的產(chǎn)品不但超過了技術(shù)設(shè)計(jì)要求，而且成本比上一代產(chǎn)品低 50％。重新設(shè)計(jì)的電子自動(dòng)調(diào)溫器利用安裝的電池可以工作 8 年以上。本文側(cè)重講述功耗來源、如何為應(yīng)用選擇正確的電池以及如何避免項(xiàng)目末期經(jīng)常出現(xiàn)的隱患。
基于mcu的電子自動(dòng)調(diào)溫器必須提供：
長達(dá) 8 年的電池使用壽命；
與機(jī)械解決方案相比具備更佳競
爭性的最低成本；
旨在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速上市的應(yīng)用開
發(fā) (in-application development)；
精度達(dá) 1℉的溫度測量；
40~90℉設(shè)定點(diǎn)電位計(jì)；
低電量檢測；
與電池更換相關(guān)的供電欠壓保護(hù)。
測量解決方案
本例將探討第一代電子自動(dòng)調(diào)溫器 其基于 mcu，但是需要配備用于溫度測量的附加外部集成電路，以及用于喚醒 mcu 的外部振蕩器和電池監(jiān)控器。另外，這種自動(dòng)調(diào)溫器需要昂貴的人工校準(zhǔn)。上述第一代解決方案需要超過 20 a 的電流，電池使用壽命只能達(dá)到 2~3 年，ic 總成本超過 2 美元。為了延長電池壽命并降低成本，需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。
對于本文研究的電子自動(dòng)調(diào)溫器而言，有效占空比極低，因?yàn)槠浯蟛糠謺r(shí)間處于待機(jī)模式，由系統(tǒng)維持的自動(dòng)喚醒功能執(zhí)行常規(guī)事務(wù)。與設(shè)定點(diǎn)電位計(jì)不同，每幾秒鐘就要對自動(dòng)調(diào)溫器的溫度測量一次。系統(tǒng)根據(jù)溫度對比以及所選擇的操作模式打開或關(guān)閉冷卻或加熱功能，而如果溫度處于預(yù)期范圍之內(nèi)，則不做任何動(dòng)作。自動(dòng)調(diào)溫器重新設(shè)計(jì)工作的首要目標(biāo)是盡可能降低待機(jī)電流。為此，選用了一種超低功耗 mcu，同時(shí)運(yùn)行“智能電源”(power-wise) 軟件。
為了盡可能延長電池使用壽命，該軟件配置后使 mcu 進(jìn)入待機(jī)模式，其間采用由集成的 12khz 超低功耗振蕩器 (vlo) 計(jì)時(shí)的內(nèi)部看門狗定時(shí)器 (wdt)。由于消除了通常采用的 32khz 低功率晶振，因此 vlo 可以節(jié)省成本。系統(tǒng)全部關(guān)閉其他的 mcu 內(nèi)置外設(shè)，而且不偏置溫度傳感器和設(shè)定點(diǎn)電位計(jì)。在這種正常模式下，mcu 消耗約 0.6 a 的電流。wdt 大約每 6 秒鐘溢出一次，發(fā)出中斷信號并且將 mcu 從待機(jī)模式喚醒。
在工作模式下，超低功耗 mcu 的內(nèi)置高速數(shù)字控制振蕩器 (dco) 以 1mhz 默認(rèn)頻率工作，在需要時(shí)為系統(tǒng)計(jì)時(shí)。mcu 測量溫度與用戶設(shè)定點(diǎn)。為了支持最低的成本和實(shí)現(xiàn)高精度，測量解決方案采用基于 mcu 中集成的比較器的單斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
單斜率轉(zhuǎn)換按照固定點(diǎn)為電容器充電，并通過已知參考電阻（由 mcu 內(nèi)部集成的比較器測量該電阻）來測量放電時(shí)間。系統(tǒng)對未知電阻重復(fù)上述周期。集成的定時(shí)器可以自動(dòng)采集放電時(shí)間，由于允許在放電周期測量過程中關(guān)閉 cpu，這種自動(dòng)采集可以節(jié)省功率。上述單斜率技術(shù)遵循比率原則，其可以消除與阻容放電相關(guān)的充電電壓、充電電容以及復(fù)雜的指數(shù)方程。測量時(shí)間與放電電阻成正比，準(zhǔn)確度與傳感器的參考電阻相同，因而可以消除昂貴的校準(zhǔn)程序。
可將一個(gè)10k 的外部電阻用作溫度傳感器的參考電阻與 10k 的熱敏電阻；20k 電位計(jì)用作與 6.8k 電阻串聯(lián)的設(shè)定點(diǎn)電位計(jì)。串阻可確定與最高溫度設(shè)定點(diǎn)（約95f）對應(yīng)的最低電阻。最高設(shè)定電阻為 26.8k ，對應(yīng)于最低溫度設(shè)定點(diǎn)（大約 40f）。
測量序列需要對參考電阻、設(shè)定點(diǎn)電位計(jì)以及熱敏電阻執(zhí)行放電時(shí)間測量。由 mcu 計(jì)算設(shè)定點(diǎn)電位計(jì)和熱敏電阻的值，方法是采用高效的軟件查詢表例程來最小化代碼周期數(shù)以及相應(yīng)的有效電流。有效測量序列需要大約 10ms 和平均50a 電流，其中包括所需要的比較器、定時(shí)器和 cpu 功能執(zhí)行。在不需要時(shí)系統(tǒng)可關(guān)閉所有組件和 mcu 內(nèi)置外設(shè)。由于每隔 5 秒鐘才需要一個(gè) 10ms 測量序列，因此有效占空比僅為 0.2%，等于大約 1 a 的平均系統(tǒng)電流消耗。
觸發(fā)低壓加熱/冷卻繼電器所需的電流為 10ms 的 100ma 電流脈沖。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，繼電器可能需要每小時(shí)觸發(fā)16次。因此，繼電器的有效占空比為 0.0044%，其等于大約4.4a 的系統(tǒng)電流。
從電池角度來看，我們關(guān)心的是觸發(fā)繼電器所需要的 100ma 電流。第一代電子自動(dòng)調(diào)溫器最初選用的電池是cr2032 紐扣式鋰電池。由于每年低于1%的內(nèi)在超低漏電以及極其平坦的放電曲線（這兩種特性是延長電池使用壽命的理想選擇），因此這種電池的額定容量為 200mah。cr2032 的問題是阻抗較高，約為 20 ，因此它妨礙了電池為觸發(fā)冷卻及加熱系統(tǒng)所需繼電器提供 100ma 電流。盡管所需要的 100ma 脈沖電流僅持續(xù) 10ms，但是仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了紐扣電池的能力。設(shè)計(jì)人員曾經(jīng)考慮采用大容量電容器（由于成本原因只能采用電解電容），但是由于這種電容漏電較高，最后還是放棄了。
為上述自動(dòng)調(diào)溫器選擇的電池是
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利用最低功耗實(shí)現(xiàn)絕對長的電池壽命是許多深度嵌入式應(yīng)用的共同設(shè)計(jì)要求。一種基于微控制器 (mcu) 的小區(qū)電子自動(dòng)調(diào)溫器，并對電流的每一微安( a)都經(jīng)過了細(xì)致而周密的調(diào)查研究。最終得到的產(chǎn)品不但超過了技術(shù)設(shè)計(jì)要求，而且成本比上一代產(chǎn)品低 50％。重新設(shè)計(jì)的電子自動(dòng)調(diào)溫器利用安裝的電池可以工作 8 年以上。本文側(cè)重講述功耗來源、如何為應(yīng)用選擇正確的電池以及如何避免項(xiàng)目末期經(jīng)常出現(xiàn)的隱患。
基于mcu的電子自動(dòng)調(diào)溫器必須提供：
長達(dá) 8 年的電池使用壽命；
與機(jī)械解決方案相比具備更佳競
爭性的最低成本；
旨在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速上市的應(yīng)用開
發(fā) (in-application development)；
精度達(dá) 1℉的溫度測量；
40~90℉設(shè)定點(diǎn)電位計(jì)；
低電量檢測；
與電池更換相關(guān)的供電欠壓保護(hù)。
測量解決方案
本例將探討第一代電子自動(dòng)調(diào)溫器 其基于 mcu，但是需要配備用于溫度測量的附加外部集成電路，以及用于喚醒 mcu 的外部振蕩器和電池監(jiān)控器。另外，這種自動(dòng)調(diào)溫器需要昂貴的人工校準(zhǔn)。上述第一代解決方案需要超過 20 a 的電流，電池使用壽命只能達(dá)到 2~3 年，ic 總成本超過 2 美元。為了延長電池壽命并降低成本，需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。
對于本文研究的電子自動(dòng)調(diào)溫器而言，有效占空比極低，因?yàn)槠浯蟛糠謺r(shí)間處于待機(jī)模式，由系統(tǒng)維持的自動(dòng)喚醒功能執(zhí)行常規(guī)事務(wù)。與設(shè)定點(diǎn)電位計(jì)不同，每幾秒鐘就要對自動(dòng)調(diào)溫器的溫度測量一次。系統(tǒng)根據(jù)溫度對比以及所選擇的操作模式打開或關(guān)閉冷卻或加熱功能，而如果溫度處于預(yù)期范圍之內(nèi)，則不做任何動(dòng)作。自動(dòng)調(diào)溫器重新設(shè)計(jì)工作的首要目標(biāo)是盡可能降低待機(jī)電流。為此，選用了一種超低功耗 mcu，同時(shí)運(yùn)行“智能電源”(power-wise) 軟件。
為了盡可能延長電池使用壽命，該軟件配置后使 mcu 進(jìn)入待機(jī)模式，其間采用由集成的 12khz 超低功耗振蕩器 (vlo) 計(jì)時(shí)的內(nèi)部看門狗定時(shí)器 (wdt)。由于消除了通常采用的 32khz 低功率晶振，因此 vlo 可以節(jié)省成本。系統(tǒng)全部關(guān)閉其他的 mcu 內(nèi)置外設(shè)，而且不偏置溫度傳感器和設(shè)定點(diǎn)電位計(jì)。在這種正常模式下，mcu 消耗約 0.6 a 的電流。wdt 大約每 6 秒鐘溢出一次，發(fā)出中斷信號并且將 mcu 從待機(jī)模式喚醒。
在工作模式下，超低功耗 mcu 的內(nèi)置高速數(shù)字控制振蕩器 (dco) 以 1mhz 默認(rèn)頻率工作，在需要時(shí)為系統(tǒng)計(jì)時(shí)。mcu 測量溫度與用戶設(shè)定點(diǎn)。為了支持最低的成本和實(shí)現(xiàn)高精度，測量解決方案采用基于 mcu 中集成的比較器的單斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
單斜率轉(zhuǎn)換按照固定點(diǎn)為電容器充電，并通過已知參考電阻（由 mcu 內(nèi)部集成的比較器測量該電阻）來測量放電時(shí)間。系統(tǒng)對未知電阻重復(fù)上述周期。集成的定時(shí)器可以自動(dòng)采集放電時(shí)間，由于允許在放電周期測量過程中關(guān)閉 cpu，這種自動(dòng)采集可以節(jié)省功率。上述單斜率技術(shù)遵循比率原則，其可以消除與阻容放電相關(guān)的充電電壓、充電電容以及復(fù)雜的指數(shù)方程。測量時(shí)間與放電電阻成正比，準(zhǔn)確度與傳感器的參考電阻相同，因而可以消除昂貴的校準(zhǔn)程序。
可將一個(gè)10k 的外部電阻用作溫度傳感器的參考電阻與 10k 的熱敏電阻；20k 電位計(jì)用作與 6.8k 電阻串聯(lián)的設(shè)定點(diǎn)電位計(jì)。串阻可確定與最高溫度設(shè)定點(diǎn)（約95f）對應(yīng)的最低電阻。最高設(shè)定電阻為 26.8k ，對應(yīng)于最低溫度設(shè)定點(diǎn)（大約 40f）。
測量序列需要對參考電阻、設(shè)定點(diǎn)電位計(jì)以及熱敏電阻執(zhí)行放電時(shí)間測量。由 mcu 計(jì)算設(shè)定點(diǎn)電位計(jì)和熱敏電阻的值，方法是采用高效的軟件查詢表例程來最小化代碼周期數(shù)以及相應(yīng)的有效電流。有效測量序列需要大約 10ms 和平均50a 電流，其中包括所需要的比較器、定時(shí)器和 cpu 功能執(zhí)行。在不需要時(shí)系統(tǒng)可關(guān)閉所有組件和 mcu 內(nèi)置外設(shè)。由于每隔 5 秒鐘才需要一個(gè) 10ms 測量序列，因此有效占空比僅為 0.2%，等于大約 1 a 的平均系統(tǒng)電流消耗。
觸發(fā)低壓加熱/冷卻繼電器所需的電流為 10ms 的 100ma 電流脈沖。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，繼電器可能需要每小時(shí)觸發(fā)16次。因此，繼電器的有效占空比為 0.0044%，其等于大約4.4a 的系統(tǒng)電流。
從電池角度來看，我們關(guān)心的是觸發(fā)繼電器所需要的 100ma 電流。第一代電子自動(dòng)調(diào)溫器最初選用的電池是cr2032 紐扣式鋰電池。由于每年低于1%的內(nèi)在超低漏電以及極其平坦的放電曲線（這兩種特性是延長電池使用壽命的理想選擇），因此這種電池的額定容量為 200mah。cr2032 的問題是阻抗較高，約為 20 ，因此它妨礙了電池為觸發(fā)冷卻及加熱系統(tǒng)所需繼電器提供 100ma 電流。盡管所需要的 100ma 脈沖電流僅持續(xù) 10ms，但是仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了紐扣電池的能力。設(shè)計(jì)人員曾經(jīng)考慮采用大容量電容器（由于成本原因只能采用電解電容），但是由于這種電容漏電較高，最后還是放棄了。
為上述自動(dòng)調(diào)溫器選擇的電池是
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