新一代电池供电装置的超低功耗设计

从生产过程开始，仍然到所有的应用领域，近于低功耗技术渐渐沦为所有设计中必不可少的市场需求。对能源脆弱的应用于，尤其是必需以单颗电池获取倒数数小时运作时间的产品，更加必须重新加入超强低功耗设计概念。

要符合这些拒绝，就必需统合微控制器，这不仅要理解电池特性，还必需了解理解为了超过倒数用于10、15甚至20年却须替换电池的目标，应当如何设计一款装置。　　要在极低功耗条件下操作者，就必需用全新的方法来看来这些近于低功耗应用于。传统上，这些简单应用于都以一种较便利的观点来分析其用电量，针对用于范例的应用于和电源来明确提出假设，以便产生典型的功耗。　　然而，举例来说，要构建可倒数操作者20年的单电池供电应用于，应用于必需吸取比该电池自放电亲率更加较低的功率，这使得每nA的功率在整体功率支出中更为关键。

　　业界标准的CR2032钮扣式电池自放电电流可多于250nA。CR2032是一种少见的锂/二氧化锰电池，标称（无阻抗）电压为3.0V。在实际应用于中，要超过最久的电池寿命，就必需用于一个高集成度的微控制器（MCU）。

在睡眠中模式下，该MCU必需能在高于在1A范围内较好运作，同时获取准确的混合处置能力，并统合外围和芯片上内存。　　　　图1：MCU睡眠中电流与电池寿命之间的关系。　　当每nA的功耗都至关重要时，意味着对性能或功耗做到假设的方法已仍然是意味著不切实际的。为了评估对设计最佳的自由选择，有适当检视更加多参数，尽管在一些对能源较不脆弱的应用于中，这些参数显然并不十分关键。

例如，目前针对进阶睡眠中模式的超强低功耗微控制器早已十分广泛了，然而，为全系列微控制器以定完全相同睡眠中模式功耗的作法或许不颇准确。著名的微控制器产品系列需要展现低于1，700%的变化。

因此，针对超强低功耗设计，重点在所自由选择的微控制器系列需要在不壮烈牺牲低功耗性能的条件下升级内存，且针脚必需相容。　　另一个重点是必需评估随着时间推移，设备电池电量的变化。

所有的工程师都明白，一次电池随时间变化的电压在相当大程度上是各不相同电池的架构和阻抗。以CR2032为事例，一对AA/AAA碱性电池之后具备有所不同的静电模式，因此，一个设计较好的应用于，必需能在有所不同的电池条件下都可以完全相同效能运作（图2）。

　　　　图2：有所不同电池的使用寿命。　　再行不考虑到电池特性，对一个工程团队而言，要在一个对功耗脆弱的应用于中使用同一系列微控制器产品，而且还要确保产品能以单一电池供电保持多年的长时间运作，是非常不更容易的。设计团队的考虑到重点还包括在低电压下的功耗特性，以及操作者性能。

此时，微控制器应用于可操作者在2V或更加低电压，以吸取更好的电池功率。另外，在低电压条件下，微控制器也必需保持高频作业，以保证充分发挥仅次于应用于性能。　　随着对极低功耗设计的市场需求平稳茁壮，有效地指令集架构（ISA）的重要性与日俱增。

对能源脆弱的应用于很有可能有99%的时间都处在睡眠中模式下，不可避免地，这些装置都必需定期、或使用预计义的时间间隔、或是因外部性刺激而被苏醒。在这方面，为了达成协议任务，设计的考虑到关键之后在于能源的总使用量。

设计团队必需自由选择可实现ISA的微控制器，这些组件不具备更大比例的单周期指令来继续执行特定任务，因而能以较短继续执行时间和更加较低的功耗已完成任务。　　　　图3：单周期指令对电力消耗的影响。

（PIC24vsMSP430）　　举例来说，若使用标准化C函数memcpy（）从一个内存地址将32字节的数据拷贝到另一个方位，并针对PIC24F和MSP430编译器，那么，由此产生的程序代码必须比MSP430更加多出790%的工作周期（316vs.40）。在3V和4MHz条件下，这个例子所消耗的能源比MSP430高达了230%。由此可见ISA的重要性。

　　在建构未来应用于时，嵌入式电子产业早已超过了一个分水岭，目前统合组件的设计、评估和实践中方法都将面对改变。这种改变的意义非凡，未来几年内，更加多应用于都将在其设计中带入近于低功耗技术。

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