提高便攜嵌入式系統的電池壽命

2019-11-03 09:57:49

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供稿：網友

　　如今，越來越多的電子設備實現了便攜化，并相應的采用電池供電。電池也在不斷變小，變輕，人們期望便攜式電子系統的設計者們利用這一點，不斷提高系統的性能，增加其功能。有鑒于此，本文將對多種低功耗設計技術進行一個簡要評述。

電池技術及壽命

　　影響一個電池壽命的因素有多種，其中最重要的一種是電池的自放電速率，其定義是在滿足電路最小Vdd要求和帶特定負載條件下的“安培·小時”數。

　　某些類型的電池，如鋰電池，有比較平坦的放電曲線，其輸出電壓在使用了容量的90％時只下降10％。然而，常用的AAA到D型的堿性電池在用完約90％的總容量時，電壓要下降40％(從1.50 V 到 0.9V)。

　　Energizer AA 鋰電池的典型自放電曲線，從中可以看出，溫度對自放電有很大影響。因此在確定總的電池額定容量時，應該根據所預計的高溫狀態工作小時數對其進行修正。

　　由于使用溫度、最小Vdd電壓、工作電流和負載循環對電池技術提出了不同要求，在試圖提高電池壽命時，查閱電池廠商的數據表就非常重要。

● * 一般持續最長時間2秒;

● **在 21oC 貯藏條件下；

● 要獲得關于電池技術的更多信息，請參閱 www.energizer.com

平均電流消耗

　　電流消耗的估計是便攜式系統設計的第一步。大多數用電池供電的系統都具備休眠模式，休眠時電流消耗減至mA級或更低。若系統集成有實時(real-time)時鐘，其在系統休眠時也會消耗電流。平均消耗電流按如下公式計算：

　　電流 =工作時間百分比×工作電流消耗 + 休眠時間百分比 ×休眠電流消耗 + 時鐘電流消耗

　　因此如果一個輪胎壓力傳感器休眠時間為1分鐘，消耗電流0.1 mA，而敏感和發送壓力信息所花時間為100ms，消耗電流100mA，則總電流消耗應為:

(0.1/60) × 0.01 + (59.9/60) ×0.0000001 = 16.76 mA.

　　在這個例子中，工作狀態時的發射所需電流是主導因素，因此減小工作時間而增加休眠時間或減小工作電流將大大改變總的功耗。

MCU的節電功能

　　現代的低功耗CMOS微控制器，具備多項降耗功能，這些功能有助于改善系統總的電池壽命，如PIC16F877 8-bit(PIC系列是Microchip Technology Inc.的產品 )閃存微控制器。

休眠和待機模式

　　當系統無需執行指令時可以進入休眠模式。此時外部振蕩器連同程序寄存器的敏感放大器一起關閉。處理器的RAM保持狀態不變。按鍵、總線傳輸、實時時鐘、邊沿觸發中斷或看門狗電路都能用來喚醒系統，由于處理器的狀態得以保持，系統將繼續運行。

　　振蕩器的類型與系統脫離休眠模式時的喚醒時間有很大關系。成本較低(精度也較差)的RC振蕩器起振迅速，消除了命令執行的延遲。高頻晶體振蕩器需要數百ms的時間，使用低頻手表晶體時則要數百ms。這一延遲，盡管在某些應用中是可以接受的，卻會給許多其他應用帶來麻煩。要注意的是，振蕩器在起振階段要消耗大量的能量。在某些應用中，這一過程消耗的電流要高于MCU運行時消耗的。

　　待機模式則是在關閉MCU核心運行的同時，依舊讓外振蕩器和外設工作。這種模式還可以快速喚醒，因為振蕩器一直在運行。然而由于振蕩器電流通常占到總工作電流消耗的20～40％，這種模式節約的功耗有限。

看門狗定時器

　　如果設計需要具備休眠模式，但要定期啟動，一個低功耗的、基于RC振蕩器的內置監視定時器將是一個不錯的選擇。低功耗MCU，如PIC16F87X 系列，提供了由一個內置低功耗RC振蕩器驅動的內部看門狗定時器，其喚醒間隔從18ms~3s，可通過編程控制。如果要求更長的喚醒間隔，只需再采用一個增量計數器。通過它來設定更長的時間間隔計數，如果時間間隔還未結束，就讓系統保持休眠：

sleep_count = 0; //重置休眠計數器

While(sleep_count++ < 20)

Sleep();

// 從該點開始繼續-執行指令

實時時鐘振蕩器

　　某些應用要求掌握日期和年份信息，或者其他精確的時間標記。由于系統振蕩器在休眠時關閉，需要用另一個低頻振蕩器維持時間基準。PIC16F877的TMR1和TMR3外設提供了一個單獨的基于32768 Hz 手表晶振的低功耗振蕩定時器。處理器由定時器的溢出喚醒，從而能精確地按時間工作。這一定時器可提供30ms到16s的定時。在進入休眠模式時只消耗1_25mA的電流。

喚醒技術

　　既然大多數低功耗應用會利用休眠技術，大部分微控制器提供了多種不同的喚醒方法。典型的邊沿觸發中斷、從通信、有效定時器溢出、看門狗和I/O引腳變化都能用于喚醒微控制器。

晶體振蕩器的選擇性、RC和晶體

振蕩器的比較

　　由于電容開關損耗是現代CMOS微控制器功耗的主要來源，電流消耗直接與工作頻率和電壓成正比。如果應用無需快速執行指令，選用低頻晶振或RC振蕩器均可。一般為了減小功耗和電磁干擾，最好選用頻率最低的振蕩器。

　　不過，晶振在從休眠喚醒過程中還有一段長短不一的等待期。在等待晶振的頻率穩定過程中，微控制器在沒有完成任何操作的情況下也會消耗其相當一部分有效功率。因此若工作頻率足夠低而要求定期喚醒的話，則休眠模式未必有利。

　　RC 振蕩器可以瞬時起振并消除了喚醒等待期，故能大大降低功耗。RC振蕩器的不利之處在于無法達到晶體或陶瓷諧振器的精度。一些廠商可以將內置的RC振蕩器校準到1_10％的精度，以便提高這些低成本振蕩器的可用性。使用低頻率的“實時時鐘振蕩器”時還可以利用振蕩器提供的時標對器件工作頻率進行校準。

指令計數 = 0; // 每秒將(指令數/While循環增量時間)置零

While (TMR1H_MSb); // 等待，直到TMR1 MSB為高

While (!TMR1H_MSb); // 等待，直到TMR1 MSB 為低， Low->High

While (TMR1H_MSb)

指令計數++;

　　在本例中，TMR1是一個16位的定時器，與一個32768Hz晶振相連。由于沒有預定標器，最高位 TMR1H_MSb 將每秒改變狀態。首先，在等到該位從低變到高時，指令計數在該位保持高的狀態下增加。1秒后，該位切換為低，指令計數將工作頻率/＃指令循環置零以結束While/imcrement 循環。

由于電流 I = C( dV/dT )，電容性開關電流消耗與電源電壓成正比，功耗等于V×I，因此如果電源電壓減少一半(5V－2.5V),電流消耗就減小約一半，功耗減小為1/4，因此較低的電壓可以大大減小系統的總功耗。

外設的功耗管理

　　振蕩器的選擇已經完成且工作頻率、電壓和休眠模式已經優化之后，就應該考慮對內部的外設功耗進行管理。很多嵌入式微控制器集成了A/D轉換器，降耗重置，電壓比較器和基準源。這些模塊在啟用時均消耗電流，故一旦不使用，就應將其關閉。在采用休眠模式時這一點很重要，既然處理器已經休眠，就沒有必要讓無用的模塊消耗電流。

　　某些微控制器，如PIC16F877，可以吸納和輸出高達25mA的電流。這樣就可以直接將其尚未使用的I/O引腳與LCD顯示器、運算放大器、D/A和A/D轉換器的Vdd端相連，進行功耗管理。如果要求更大的電源電流，可以將同一端口的多根I/O引腳捆綁在一起。如果要求使用電壓調節器，務必選用低靜態電流器件，如TC54，這樣，在微控制器進入休眠模式時，可以維持很低的電流消耗。

　　切勿將不用的I/O引腳浮置。應該讓所有未使用的引腳定義為數字信號輸出狀態或將不用的輸入端之接地。浮置的數字輸入端會不時的發生莫名其妙的振蕩，消耗數百mA的電流。

結語

　當代微控制器具備優異的低功耗性能，這要感謝先進的低功耗CMOS工藝技術。使用電源開關的時代已經為采用休眠模式和基于固件的自動關機時代所取代。集成的實時時鐘已經使得嵌入式應用能給各種事件打上時間標記，從而定期啟動并維持一個實時時鐘。隨著功耗的不斷降低，電池將變得更小，工作時間會更長。■ (民)

摘自《電子產品世界》

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