廠商/作者 : Silicon Laboratories ,	友善列印
日期 : 2010/04/30 益登連絡人 : sales@edom.com.tw

直到最近，即使是市場上最低電壓、最低電源的微控制器(MCU)也都需要至少1.8伏的操作電壓，而這至少需由兩顆串聯的鹼性電池來實現電池操作。然而，現在有一全新的微控制器系列可以提供僅0.9伏的操作電壓，且只需一顆鹼性電池即可實現。

採用單電池操作的方式，讓用戶得以在大小相似的空間中，以一顆較大的電池取代兩顆較小的電池，還能增加產品的電池壽命。另一個作法則是不採用串聯，而以並聯方式連接現有的兩顆電池，如此亦能有效延長產品的電池壽命。此種並聯的電池連結方式需搭配特定機制以防止這兩顆電池逆向連結，除此之外這不失為是一種將電池壽命最大化的好方法。

另一個可能性則是拿掉一個電池，如此能讓產品更小且更便宜。也許你會認為拿掉一個電池會讓產品電池壽命減半，然而看過接下來的說明，您就會明白未必如此。

單電池操作
以單電池操作來說，除了要提供0.9伏的電壓給微控制器之外，有些元件必須要提供1.8伏以上的電壓才能正常動作，為了解決此問題，必須另外增加DC-DC升壓轉換器。然而，就電池供電的嵌入式系統而言，此種獨立的方法有若干限制。為求將電力消耗降至最低，在不需要的時候，DC-DC轉換器最好能停止操作。然而，若關掉DC-DC轉換器，則微控制器就失去了供應電壓，且將無法保持即時時脈，或是在沒有額外輸入電壓的情況下便無法重新啟動系統。更糟的是，當 DC-DC失去作用時，微控制器將失去整個RAM的內容。然而，如果不停止DC-DC的操作，則即使微控制器是在睡眠模式，系統的待機電流仍會偏高，通常會超過20uA。

除此之外，還必須考慮DC-DC轉換器和微控制器的工作效率。大部分的獨立式DC-DC方案都被設計為傳送至少150mW(在大部分的情況下會更多)給負載時的效率為最高，而在較小的負載時效率就會差上許多。相對而言，一個典型的微控制器從供應電流所汲取的電流會小於30mW，而這會造成低得讓人訝異的DC-DC效率，約為50~70%之間。

所以，是否有其他更有效的解決方案？也許你可以試試將一個最佳化、低電源的DC-DC轉換器和微控制器整合至同一個晶片上。這能立即減少系統成本和電路板空間。如果你還能利用低至0.9伏的低輸入電壓維持RAM內容並操作即時時脈，則此微控制器還能控制它自有的供電系統。若你還針對標準型MCU的周邊和功能，包括待機模式、睡眠喚醒及快速代碼執行等進行最佳化，以達到最低的漏電損失和功耗，則此裝置便能支援單電池操作，同時還能擁有與雙電池操作相當的電池壽命。

整合解決方案的優點
這便說明了Silicon Labs最近推出的C8051F9xx微控制器系列所採用的方法。更進一步地說，此裝置將高度最佳化的增壓DC-DC轉換器整合至微控制器中，其能將介於0.9和1.5伏之間的電池電壓增至介於1.8和3.3伏之間的可程式輸出電壓。此升壓後的電壓會被用於微控制器的I/O接腳及周邊。如圖1所示，藉由使用一最佳化的65mW DC-DC轉換器，此轉換器依然可保持80%至90%的高效率。  

圖1: 最佳化DC-DC轉換器效率

不僅如此，由於DC-DC轉換器能供應65mW的完整輸出，因此升壓後的輸出電壓也能被用來提供外部元件所需的電壓。以此方式，將能避免因為介接至其他較高電壓IC或感測器所可能發生的問題，而之所以會有這樣的問題，是因為要以3伏電壓驅動LED，或甚至得提供足以驅動LCD或OLED顯示器的電壓。

為進一步改善系統效率，此新產品系列的微控制核心和數位周邊皆是以內部統一的1.7伏電壓操作，在25MIPS的速度時僅消耗170uA/MHz。圖2為此全新微控制器系列的電源架構簡單示意圖。  

圖2: C8051F9xx電源架構

功能效率
當然，不是提供高效率的整合型電源供應系統就夠了。不同的操作模式和交換次數，以及類比、數位和通訊周邊都會影響系統的整體功耗。

低電源微控制器最需注意的技術規格就是待機和工作模式功耗的數據。如上所述，製造業者通常會列出每兆赫多少毫安(mA/MHz)的數值來計算此裝置所使用的各種時脈速度。

與此相關，當我們觀察工作模式功耗時，便會直覺的認定就平均功耗而言，相較於以較低速率操作的微控制器，以較高工作時脈速率操作的效率較高，這樣的看法通常都是正確的。當CMOS處理器的操作性能是在速度較快的情況下操作時，效率通常較佳，於是我們便能將更多的心力放在低功耗待機或是關機模式上。

基於相同的理由，一個設計良好、快速的類比/數位轉換器(ADC)也能提供高效率的系統表現。然而，在特定系統中，需要較長擷取時間的高輸入阻抗可能會限制了ADC的速度。此外，為求電池供電系統中的ADC結果一致，一般會採用分離式的參考電壓，有時則會整合至微控制器中。然而，若此一能在幾個百萬分之一秒得出結果的高速ADC，必須花上數毫秒等待參考電壓穩定，則系統就會花費多餘時間在等待參考電壓的穩定而消耗電池的壽命。

Silicon Labs此一新元件所使用的ADC和電壓參考模組提供市場上最短的喚醒和處理時間。此高速內部電壓參考可在1.7 usec之內取得穩定，也就是在微控制器被喚醒後就準備好了，這讓300 ksps 10位元ADC能立刻開始轉換。

在混合訊號微控制器中，以相對簡單的比較器中斷驅動是很常見的，這能喚醒裝置，並能某種程度地獨立於處理器核心之外操作。然而，藉由增加ADC模組一些「獨立」操作的機會，則可以實現更佳的電源效率。

最新推出的Silicon Labs ADC模組可支援兩種模式，一種為連續取樣模式--執行連續16次的轉換，並在沒有微控制器介入的情況下自動累積結果；另一則為窗口比較器(window-comparator)模式--唯有在結果落在特別數值的窗口時才會中斷微控制器，並能提供同步至DC-DC轉換器的操作週期中最「安定」的部分之功能。

鹼性電池並非唯一的電池選擇
針對這些微控制器中的DC-DC轉換器，數種單電池的化學性質相當適於用來提供介於1.5和0.9伏的電壓。這些電池包括所有AA和AAA型的電池--鹼性(Alkaline)、鎳氫(NiMH)、鎳鎘(NiCd)和鋰(Lithium)電池為主要的種類，其他還有鋅-空氣(Zinc-Air)和氧化銀(Silver Oxide)「鈕釦電池」。

然而，就其他電池型式而言，有些電池輸出是較高的，例如「硬幣型」鋰電池，其電壓介於3.0和2.0伏之間。此外，也許還有其他的理由必須用到較高的供應電壓。藉由將裝置的組態設定為「雙電池」模式，這樣的應用仍能利用超低功耗及高效率的優點。請再次參考圖2，您會發現DC-DC轉換器可完全停止運作，讓微控制器能支援介於1.8和3.6伏的輸入電壓。

評估系統電池壽命
為了讓設計者能快速評估新設計的電池壽命，通常此任務一般是以複雜的技術規格進行，Silicon Labs提供了一個簡單、可下載的PC工具，即「電池壽命評估器」。

無論是任何系統或應用，只要輸入設計人員所選擇的電池型式，以及「放電資料」，就是圖3所顯示的一些基本功耗參數，則此軟體會針對單、雙串聯，以及雙並聯電池組態的整體電池壽命進行比較，評估自動放電和儲存壽命。此軟體會輸出一圖表，顯示電壓和時間的關係以及電池壽命的評估數據，如圖4所示。

圖3: 電池壽命評估放電工具   

圖4: 電池壽命評估模擬工具

藉由使用以及利用測到或估計的數值去修改已儲存的「放電資料」，設計人員能評估不同的系統特性和電池組態選擇所造成的長期影響，甚至能比較同業的微控制器解決方案。

總結
藉由在微控制器上結合高效率和最佳化的電源元件，現在已能打造一個以單顆電池操作，整體電壓低至0.9伏的超低功耗且功能強大的「系統單晶片」。

Silicon Labs的全新C8051F9xx系列能以此種方式操作，這在通用型微控制器市場中是相當獨特的。在此同時，它還能支援全速25 MHz處理、300ksps ADC不受限的操作，甚至重寫此裝置的快閃記憶體。值得注意的是，提供了這麼多完整特性，包括高達64KB板上快閃記憶體、4KB的RAM，元件封裝仍相當迷你--僅4 x 4平方毫米。

欲進一步了解單電池微控制器操作，請連至www.silabs.com/point9  

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