新一代電池供電裝置的超低功耗設計

從制造過程開始，一直到所有的應用領域，極低功耗技術逐漸成為所有設計中必不可少的需求。對能源敏感的應用，特別是必須以單顆電池提供連續數小時運作時間的產品，更需要加入超低功耗設計概念。要滿足這些要求，就必須整合微控制器，這不僅要了解電池特性，還必須深入了解為了達到連續使用10、15甚至20年卻無須更換電池的目標，應該如何設計一款裝置。

要在極低功耗條件下操作，就必須用全新的方法來看待這些極低功耗應用。傳統上，這些復雜應用都以一種較方便的觀點來分析其用電量，針對使用范例的應用和電源來提出假設，以便產生“典型”的功耗。

然而，舉例來說，要實現可連續操作20年的單電池供電應用，應用必須汲取比該電池自放電率更低的功率，這使得每nA的功率在整體功率預算中更加關鍵。

業界標準的CR2032鈕扣式電池自放電電流可少于250nA。CR2032是一種常見的鋰/二氧化錳電池，標稱(無負載)電壓為3.0V。在實際應用中，要達到最長的電池壽命，就必須使用一個高集成度的微控制器(MCU)。在睡眠模式下，該MCU必須能在低于在1μA范圍內良好運作，同時提供正確的混合處理能力，并整合外圍和芯片上內存。

圖1：MCU睡眠電流與電池壽命之間的關系

當每nA的功耗都至關重要時，僅僅對性能或功耗做假設的方法已不再是絕對可行的。為了評估對設計最佳的選擇，有必要審視更多參數，盡管在一些對能源較不敏感的應用中，這些參數看來并不十分關鍵。例如，目前針對進階睡眠模式的超低功耗微控制器已經非常普遍了，然而，為全系列微控制器定相同睡眠模式功耗的做法也許不甚正確。知名的微控制器產品系列能夠展現出高于1,700%的變化。因此，針對超低功耗設計，重點在所選擇的微控制器系列能夠在不犧牲低功耗性能的條件下升級內存，且接腳必須兼容。

另一個重點是必須評估隨著時間推移，設備電池電量的變化。所有的工程師都明白，一次電池隨時間變化的電壓在很大程度上是取決于電池的架構和負載。以CR2032為例，一對AA/AAA堿性電池便具有不同的放電模式，因此，一個設計良好的應用，必須能在不同的電池條件下都可以相同效能運作(圖2) 。

圖2：不同電池的使用壽命

先不考慮電池特性，對一個工程團隊而言，要在一個對功耗敏感的應用中采用同一系列微控制器產品，而且還要保證產品能以單一電池供電維持多年的正常運作，是相當不容易的。設計團隊的考慮重點包括在低電壓下的功耗特性，以及操作性能。此時，微控制器應用可操作在2V或更低電壓，以汲取更多的電池功率。另外，在低電壓條件下，微控制器也必須維持高頻作業，以確保發揮最大應用性能。

隨著對極低功耗設計的需求穩定成長，有效指令集架構(ISA)的重要性與日俱增。對能源敏感的應用很可能有99%的時間都處在睡眠模式下，不可避免地，這些裝置都必須定期、或采用預定義的時間間隔、或是因外部刺激而被喚醒。在這方面，為了達成任務，設計的考慮關鍵便在于能源的總使用量。設計團隊必須選擇可實現ISA的微控制器，這些組件具備更大比例的單周期指令來執行特定任務，因而能以較短執行時間和更低的功耗完成任務。

圖3：單周期指令對電力消耗的影響。(PIC24 vs MSP430)

舉例來說，若采用通用C函數memcpy()從一個內存地址將32字節的數據拷貝到另一個位置，并針對PIC24F和MSP430編譯，那么，由此產生的程序代碼需要比MSP430更多出790%的工作周期(316 vs. 40)。在3V和4MHz條件下，這個例子所消耗的能源比MSP430高出了230%。由此可見ISA的重要性。

在建構未來應用時，嵌入式電子產業已經達到了一個分水嶺，目前整合組件的設計、評估和實踐方法都將面臨轉變。這種轉變的意義非凡，未來幾年內，更多應用都將在其設計中融入極低功耗技術。