Silicon Labs超低功耗單電池供電系列MCU介紹

　　現在的電子產品，對低功耗的要求越來越高，是工程師必須面對的問題。以MCU為核心的系統，在低功耗產品的設計過程中，一般從硬件和軟件方面來入手，因此選擇低功耗MCU成為關鍵。

　　目前的MCU低功耗產品普遍存在和面臨的主要問題

　　1、工作電壓一般在1.8V，很難達到1.5V以下，因為要兼顧到處理器的IO輸出能力，其電壓不能太低，但實際情況是要求工作電壓越低越好。

　　2、產品設計過程中旺旺需要芯片有更高集成度，能夠高速運行且有低功耗的工作模式，在這種工作模式下，每MHz的工作電流要足夠低;從低功耗模式到工作模式的切換，要求時間要短和電流很小。

　　3、喚醒要快，而這又和待機低功耗發生矛盾。

　　4、具備實時時鐘RTC時，待機電流難以降低。

　　針對這些問題，Silicon Labs專門推出了業內領先概念的低功耗MCU系列，它具備如下特點：

　　1， 內置Boost升壓電路，可以在0.9V輸入電壓下正常工作。

　　2， 同時內置了LDO，為MCU低功耗和穩定工作提供了硬件保障。

　　3， 超低的待機功耗，RTC不工作時待機電流低至10nA;RTC工作時，待機電流低至300nA。

　　4， 工作時達到160uA/MIPS的業內最低功耗。

　　5， 為低功耗而優化的AD轉換器設計，可以在輸入為0.9V時正常工作，具備Burst突發采樣模式，降低MCU的負擔。

　　6， 豐富的喚醒模式，大大提高了系統設計的靈活性并使MCU可以經常處于待機模式下。

　　Silicon Labs獨特的低功耗設計----電源管理單元PMU

　　該設計可以實現數字電路工作在1.8V，通過內部DC-DC功能，使電池提供的電壓比較低，也能提供3.3V的IO驅動輸出，能驅動LED、無線通訊器件等。見圖1

　　在MCU的電源管理中，供給IO模塊及模擬單元的電源，可以選擇DC-DC模塊轉換后的電壓，或者直接選擇外部電源VDD。通過LDO轉換的穩定電源1.8V，可以供MCU部分工作，為內部RTC、PMU和RAM供電;對于內部RTC、PMU和RAM，也可以靈活選擇電池直接進行供電。

　　豐富的待機和喚醒模式

　　C8051F9xx系列數字和模擬部分在休眠狀態下，喚醒時間均為2µS;在RTC不工作情況下，低功耗模式下電流低至10nA，在RTC工作的情況下也只有300nA的工作電流。在多種電源工作模式下的描述、喚醒方式、省電情況如下表：

　　表1

　　獨特的AD采樣工作模式

　　ADC在10位采樣的情況下，具有300Ksps采樣速率，而且突發的采樣工作模式，能減少MCU的操作指令和工作時間。在突發采樣工作模式下，采樣開始后，ADC上電工作并且進行輸入信號跟蹤，通過電壓轉換，經過一個系統時鐘后便進入斷電的低功耗模式，等待下一次采樣開始。整個采樣過程中， MCU程序不需要進行上電和斷電的操作，有效降低功耗。下圖為：

　　低功耗實現

　　以一個低功耗設計為例，其基本模式為：每0.5秒喚醒一次, 進行ADC采樣，完成數字處理，再休眠的循環工作模式。系統長時間工作，電池電壓會逐漸降低，以至電池不能正常供電;應用Silicon Labs系統的電池電壓下降比較慢，電池壽命可以達到1100天左右，而其他品牌的低功耗MCU應用則不能。見圖3

　　該系統以C8051F912為例，如下圖。

　　MCU在休眠的情況下，具有非常低的電流，其喚醒時間也只有2µS;在系統工作的時候，MCU運行非常快，包括ADC采樣速率也很高。由于MCU工作時功耗大一些，就需要快速完成功能且進入休眠模式。

　　如上圖4，Silicon Labs如果在系統時鐘25MHz工作電流可稍微大一些，工作時間則非常短，而功耗是工作電流和工作時間的乘積來計算的，也就是其“面積”。而其他應用系統工作電流雖然較小，但是工作時間長很多，總共的功耗“面積”就會高出許多。

　　Silicon Labs目前推出的產品系列

　　目前Silicon Labs已經推出了C8051F90x/91x/92x/93x系列，

　　這些系列包括了豐富的外設資源，如下：

　　1，24.5MHz的內置振蕩電路。

　　2，2個獨立的比較器。

　　3，UART，SPI，I2C通訊接口。

　　4，RTC實時時鐘。

　　5，PCA模塊可以實現PWM、頻率、邊沿捕獲、定時器等功能。

　　產品應用(見下圖6)

　　開發工具

　　Silicon Labs的授權代理商世強電訊已可以提供完整的開發套件，C8051F912DK;內有開發軟件，數據手冊，編程器，開發板及電源等。

　　此外，還可以從世強電訊獲得相關產品的應用筆記，包括：

　　AN358: C8051F9xx優化低功耗操作模式

　　AN359: C8051F9xx調試技巧

　　AN431: C8051F93x-C8051F90x 軟件設計向導

　　單電池供電的低功耗MCU，以其高集成度、低電流、工作模式低功耗、快速喚醒，以及快速的數據處理能力，將能很好的適用于低功耗產品中。