我們已經(jīng)進(jìn)入了這樣一個(gè)時(shí)代，即開始期望和要求電池供電設(shè)備實(shí)現(xiàn)更多的功能。我的第一臺PDA的電池僅工作了一天，而且如果還啟動(dòng)了時(shí)間提示功能，那么電池能量將會很快耗盡。今天，在相同的條件下，我的PDA能夠工作一周。這兩款PDA用的都是相同容量的鋰離子電池，那么是什么使情況發(fā)生了改變呢？答案很簡單，電路硬件在改進(jìn)，電源管理技術(shù)在提高。相比之下，電池技術(shù)的進(jìn)步反而是次要的。

　　PDA是系統(tǒng)復(fù)雜性迅速增加的一個(gè)好例子，正如它們的命運(yùn)顯示的那樣，盡管電池性能幾乎沒有什么進(jìn)步，但對這類電池供應(yīng)用的要求卻在不斷增加。而要成功應(yīng)對這一功能不斷增加的挑戰(zhàn)，固件或軟件工程師必須完全理解目前市場上的商業(yè)MCU處理內(nèi)核開發(fā)工具，同時(shí)硬件設(shè)計(jì)師理解今天市場上商用解決方案的效率。

    模擬和數(shù)字部分要協(xié)同努力

      圖1：PIC18F1320的可編程能力允許對系統(tǒng)中的電源電壓進(jìn)行控制，并控制MCU的系統(tǒng)時(shí)鐘和睡眠模式。

    
    如果你能夠很好地理解MCU的硬件配置和手頭上的開發(fā)工具，那么你就能夠降低功耗，從而能夠再添加一些應(yīng)用功能。降低功耗的一個(gè)方向是控制嵌入式應(yīng)用的電源電壓幅度。你可能需要在程序執(zhí)行過程中的某些點(diǎn)上與真實(shí)模擬世界進(jìn)行交互，如果的確有這個(gè)需要，你的設(shè)計(jì)中必須包含模擬電路。對模擬電源電壓的要求要高于對數(shù)字電源電壓的要求。要記住，模擬噪聲容限比數(shù)字的小得多，而且模擬噪聲水平不隨工作電壓的降低而減小。

　　例如，在5V工作電壓狀態(tài)，12位AD轉(zhuǎn)換器能進(jìn)行優(yōu)異可靠的轉(zhuǎn)換。同樣的12位AD轉(zhuǎn)換器，在2V工作電壓狀態(tài)下，不受噪聲影響位數(shù)的輸出會變少。這是因?yàn)�，LSB(最低有效位)的位數(shù)變小了，而噪聲大小不變。這個(gè)問題的解決方案是，當(dāng)僅進(jìn)行模擬操作時(shí)，采用更高的電源電壓；而當(dāng)僅進(jìn)行數(shù)字操作時(shí)，切換為更低的電源電壓。

　　圖1展示了一個(gè)簡單的、基于MCU的電池供電系統(tǒng)，是圍繞Microchip的PIC18F1320閃存MCU而設(shè)計(jì)的。PIC18F1320具有多種空閑模式以及雙時(shí)鐘啟動(dòng)功能等特性，對低功耗設(shè)計(jì)很有幫助。

　　在硬件方面，為了追求更低功耗表現(xiàn)，MCU的外部外設(shè)和內(nèi)部外設(shè)都在不斷發(fā)展。MCU的外部外設(shè)可通過降低芯片工作電壓及優(yōu)化電路設(shè)計(jì)來降低功耗。圖1所示的簡單例子，就整合了低功耗運(yùn)放、AD轉(zhuǎn)換器以及可調(diào)穩(wěn)壓電荷泵。

　　圖1中，MCP6041型運(yùn)放采用CMOS工藝制造，這種運(yùn)放可以將工作電壓降的很低。MCP6041運(yùn)放由Microchip制造，帶寬為14 kHz，電流為600 nA，供電電壓在1.4V至5.5V之間。降低的工作電壓與降低的靜態(tài)電流結(jié)合，為電池供電設(shè)備的電源管理提供了良好的解決方案。

　　集成了內(nèi)部或外部AD轉(zhuǎn)換器的MCU，轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比IC設(shè)計(jì)創(chuàng)新對MCU功耗的影響更大。例如，同Δ-∑AD轉(zhuǎn)換器相比，SAR(逐次逼近寄存器)A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間和消耗電流之比就低得多。在電池供電應(yīng)用中往往采用SAR模式的A/D轉(zhuǎn)換器，除非是需要分辨率和精度更高的應(yīng)用。

　　圖1的電源是可調(diào)的。5V電壓用于模擬處理相得益彰，2V電壓用在數(shù)字電路恰倒好處。圖1的可調(diào)節(jié)電源轉(zhuǎn)換器在低輸出電流、鋰離子電池供電(4.2V到2.8 V)情況下，具有很高的效率�；谶@些原因，該設(shè)計(jì)采用了一款穩(wěn)壓可調(diào)的電荷泵式DC/DC轉(zhuǎn)換器(型號為MCP1252-ADJ)。

　　對不同的操作控制采用不同的工作電壓僅是低功耗設(shè)計(jì)工作的一半。如時(shí)刻將低功耗銘記于心，就會希望在維持MCU某些部分工作的同時(shí)，關(guān)斷其它部分。例如，你可以獨(dú)立運(yùn)行MCU中的A/D、D/A轉(zhuǎn)換器或USART通信接口，這些部分僅需局部供電就可以正常工作。

　　對外接設(shè)備的能耗優(yōu)化同樣重要。此外，將MCU內(nèi)、外部的外設(shè)與MCU的編程能力結(jié)合考慮，會切實(shí)降低系統(tǒng)功耗。例如，在MCP1252-ADJ中，可以把一個(gè)新的電路切換到電阻反饋系統(tǒng)中，這樣MCU就能夠控制電壓。為了確保模擬電路的最佳工作條件，需要電荷泵輸出高電壓。而MCU的數(shù)字電路部分在較低的電壓下就能工作。如，PIC18F1320的輸出電壓為2V至5.5V。通過直接對比電荷泵的兩種輸出電壓就可計(jì)算節(jié)省的功率。如果把MCU外部外設(shè)的供電切斷，加在I/O端口上的供電電壓又比較低，這樣就可以進(jìn)一步降低功耗。

　　控制時(shí)鐘

　　當(dāng)設(shè)計(jì)師試圖降低嵌入式系統(tǒng)電路的整體功耗時(shí)，常常忽略的一個(gè)問題就是：在MCU脫離睡眠模式時(shí)，如何對時(shí)鐘進(jìn)行管理。