MCU控制的电池管理是成功的物联网实现的关键

　　MCUs将在物联网(IoT)的主要控制元件导向设计这些MCU可能是电池供电。电源效率将是至关重要的，以达到可接受的电池寿命，因此，微控制器将需要管理电池的使用比以往任何时候都更精确。许多微控制器具有特殊的功能，帮助管理电池功率和使用这些功能的优化可以赢得或失去在市场上的差异。

　　本文将快速回顾实现高效的基于电池的MCU设计所需要的一些关键特性，并举例说明如何使用这些功能提高效率和电池寿命。有助于估算电池寿命的软件工具将用于演示如何在详细的设计实现之前估算生命周期。这有助于设备选择，是创建高效设计的关键技术。

　　电源管理领域

　　当考虑基于电池的MCU实现时，我们可能最初假设有一个MCU功率域，运行一个电池，我们的目标是管理这个功率域来创建最有效率的MCU实现。我们很快会发现，这种假设通常是虚假的，然而，即使是简单的微控制器通常有多个电源域片。事实证明，当电源效率对我们的设计至关重要时，多个功率域是一个很大的优势。拥有多个域可以使我们能够更有效地管理和控制MCU的部分，而这些部分是基于我们需要为特定实现执行的功能所需要的。让我们来看一个特定的MCU，看看多个电源域对一个典型的电池供电的设计有什么好处。

　　的stm32f0x1系列的单片机(如的stm32f051k8u6)是一款入门级设备在STM32单片机的家庭，同样是一个可以经常用于电池应用的设备的一个很好的例子。下面的图1显示了可用于stm32f0x1 X2设备的各种电源域。域的VDDA权力面向块的模拟装置和包括A/D转换功能、D/A转换器、温度传感器、复位发生器和时钟锁相环。的vddio2电力领域的stm32f04x / 7x / 9X的设备可提供一个独立的I/O电源轨时不同的I/O标准需要被支持(电源电压范围可以从1.65到3.6 V覆盖多种I/O标准)。主VDD功率域为设备的大部分提供电源。这包括I / O环在non-stm32f04x / 7 9x设备，待机电路和唤醒逻辑，通常总是和权力也1.8 V的数字核心(处理器，内存，和数字外设)通过一个片上电压调节器。

　　意法半导体stm32f0x1 X2电源图像

　　图1：stm32f0x1 X2电源显示电池备份域。(由凯利讯半导体)

　　最后的电源域，来自外部的VBAT引脚，提供电源备份域。备份功能包括一个低能量32千赫晶体时钟振荡器，备份寄存器，保持其价值，即使电源关闭到设备的其余部分(方便保存系统复位和电源波动之间的重要数据)，和实时时钟(RTC)块。低电压检测器可以自动切换到VBAT的VDD输入信号低于设定的阈值时，简化电池备份的实现。

　　这些独立的功率域可以根据应用程序所需的操作，轻松地控制和管理传递给MCU的功率。例如，如果设备正在等待RTC来指示它开始一个模拟到数字的时间，那么大多数设备只能通过电池备份域操作来关机。RTC超时可以切换I/O信号来警告外部电源管理设备，然后可以打开额外的电源域。这可以是一个非常省电的技术，但需要一个外部电源和电池管理设备。

　　在一些应用中的stm32f0x1 X2装置将管理电池和电源键块自己把各设备进入低功耗模式，管理时钟频率和测量电压源来检测当低压水平可能影响操作。在这些应用中，多个片上电压域和低功耗工作模式都是关键要求。现在让我们更详细地看看低功耗模式，看看它们如何与多个片上功率域一起工作，以进一步提高基于电池的实现的功率效率。

　　协助工程师设计开发意法半导体提供的stm32f0系列产品培训模块概述。

　　低功耗MCU操作模式提高功率效率

　　几乎每个MCU现在都提供各种低功耗操作模式，通过限制关键块的工作频率和/或可操作性来降低操作功率。这些模式有多种名称，但它们的功能往往非常相似。飞思卡尔mcf51qe系列单片机的低功耗工作模式是你应该看看当电源效率是关键的应用程序类型的一个很好的例子。图2显示了一个状态转换图和一个简单的功率调节表，说明这些模式如何用来提高功率效率。运行模式不限制操作，调节器在全状态下工作。在其他模式下，通过将电源关闭到关键元件或通过降低操作频率，各种模块使用较低的功率操作。例如，在等待模式中，CPU关闭以节省电源，但外围设备以全时钟速率运行。当不需要CPU操作时，这样可以节省电源，但定时器或通信外围设备必须继续工作。通常，这些外设可以在CPU需要时通过中断唤醒CPU。关闭CPU从CPU，操作时操作大量的电力的能力，利用单片机的功率预算的大部分。下面的一节提供了每个低功耗模式的更详细的描述。

　　飞思卡尔MCF51QE128的低功耗模式图像

　　图2：飞思卡尔MCF51QE128的低功耗模式。(由飞思卡尔提供)

　　运行模式- CPU时钟可以全速运行，内部电源是完全调节的。

　　lprun模式CPU和外设的时钟是限制在250 kHz和125 kHz的CPU时钟总线时钟最大和内部供应软调节。

　　等待模式- CPU关闭，以节省电力;外围时钟正在运行，并保持全面的监管。

　　lpwait模式CPU关闭以节约电能;外周生物钟运行速度降低(125 kHz最大)和内部电压调节器是宽松监管模式运行。

　　停止模式-系统(CPU和外设)时钟被停止。

　　stop4 -所有内部电路供电(全监管模式)和内部时钟源仍在恢复最快最大频率。

　　stop3 -所有内部电路的时钟源管理松散，在最小值(最大125 kHz)，提供功率利用率和恢复速度的一个很好的折衷。

　　部分功率探针2内部电路的RAM内容被保留下来。该设备的最低功率模式。复位需要从探针2模式返回。

　　运行，等待和停止模式在现代MCU普遍和非常低功耗设计提供依据。特别是，只有周期性地使用主CPU的应用程序——可能只有在缓冲区几乎满的时候才能读取大量的传感器读数，或者管理接收到的数据缓冲区——才能通过关闭CPU并尽可能地让智能外设处理尽可能多的算法，从而节省大量的电量。等待和停止之间的区别通常反映在响应时间中，因为通常从一个低功耗状态(即减少典型的停止模式中的静态电流)向一个块中删除时钟门控信号(在典型的等待模式中只减少动态电流)通常需要更长的时间。

　　LPrun和lpwait模式在MCF51QE128可用通过运行CPU和/或外设在低得多的频率比正常降低功耗提供了另一种技术。这是有用的，当操作不容易实现周期性的，必须连续运行，但不需要高速运行。例如，通信数据包可能在正常运行模式下的高速接收，但LPrun可以用来处理数据。如果处理时间与数据相关，并且不能通过周期性定时器中断进行简单管理，这一点尤其有用。一旦数据被处理的lpwait状态可以进入，等到下一个数据包需要接收。

　　组合使用不同的功率域和低功耗模式，可以实现各种高效的实现。查找各种时钟频率、低功耗模式和状态转换的最佳组合可能是一项艰巨的任务，通常需要在详细实现之前完成，否则您可能会发现无法使用已选择的设备满足您的操作要求，并对项目进度产生重大影响。理想情况下，您希望能够模拟各种操作功率级别，并为目标应用程序估计电池寿命。幸运的是(或者可能是因为他们理解这个困难)MCU制造商已经创建了一些我们可以用来解决这个难题的评估工具。

　　软件工具帮助估计功率需求和电池寿命

　　一个容易使用的工具是Microchip XLP的电池寿命估计(BLE)1。这个免费的，可下载的工具，适用于任何XLP单片机功耗估计在整个应用程序。它也可以被用来获取关键例程的功耗详细估计在你XLP MCU设计。下图3显示的是图形用户界面(GUI)。您只需选择您的设备、电压和温度，然后选择您的目标电池(GUI中步骤1到3)。然后，您可以在应用程序中指定键操作，定义操作的频率、函数使用的模式、函数的活动时间以及在函数中活动的各种块(如ADC、UART、定时器等)。(在下面的例子中，在16兆赫的运行模式中有一个函数，两个睡眠模式函数和一个1 MHz的运行模式函数)软件自动确定每个功能中使用的电流，然后报告设计的估计电池寿命。在本例中，电池寿命估计不足200天。可以生成完整的文本文件报告，以保存程序设置和结果。图3的底部显示了一个示例。

　　Microchip XLP的电池寿命估计程序映像

　　图3：Microchip XLP的电池寿命估计–GUI程序和报告。(微芯片提供)

　　使用电池寿命估算程序可以很容易地识别关键例程和应用程序使用最多功率的地方。这允许您在尝试不同的设备时，调整设计，以找到正确的实现。在详细的编码和电路板设计之前做这件事可以避免浪费大量的精力去探索那些不能提供成功设计所需的电源效率的选项。

　　一旦你有了信心，你的选择，你可以使用一个评估套件的下一步，如Microchip PIC24F评估套件。通常，这些工具包包括大量示例代码、引用设计和大量文档，以便于编写关键例程并度量在全面实现中将获得的实际功率级别。

　　基于高效电池实现的新的低功耗技术

　　MCU制造商也在推动技术包络，不断地从底层创建新的低功耗功能。德克萨斯仪器创造了一个家庭的低功耗MCU采用了一种新的非易失性存储器FRAM铁电存储器，或，将速度、灵活性和耐力与稳定性和可靠性Flash SRAM，在降低总功耗。FRAM存储器功能超低功耗和快速(125纳秒每字)写的。框架可以作为程序，数据，或存储来简化应用开发。超低功耗和FRAM非波动性使得它一个很好的选择，对于电池的单片机的应用，需要大量的存储和计算能力，如数据融合与传感器预处理。

　　的msp430fr MCU系列还具有关键的低功耗模式，智能外设，和先进的处理能力。图4显示了所有关键的单片机的功能在msp430fr5731 / 5/9设备可用。还检查了TI产品培训模块，涵盖了钛msp430fr MCU系列的特点，显示了FRAM技术提供了显著的低功耗优势为各种各样的应用。

　　德克萨斯仪器msp430fr5731 / 5/9块图图像

　　图4：德克萨斯仪器msp430fr5731 / 5/9块图。(由凯利讯半导体提供)

　　结论

　　许多物联网应用将使用基于电池的MCU实现，电源效率将是成功产品的关键。当使用功率估算工具为目标应用程序选择正确的设备时，为您的实现选择合适的MCU更容易一些。

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