低功耗MCU优化电池供电系统设计

对于嵌入式系统，尤其是电池供电系统(如便携电子设备、计量应用和医疗设备等)，降低系统功耗、延长电池的寿命已成为系统设计人员的关键目标。在以单片机为核心的嵌入式应用中，低功耗MCU需求也在不断攀升。为了设计出最佳系统，研发人员必须了解MCU所能提供的节能功能，以便利用这些功能设计出节能系统。在本届IIC-China技术研讨会上，Microchip公司针对电池供电系统的低功耗MCU技术及其应用策略备受关注。

影响功耗的因素

众所周知，MCU的功耗主要包括待机功耗(内核关闭、处于休眠模式下的功耗)和动态功耗(执行代码时的功耗)。随着工艺节点不断演进，典型MCU中的晶体管数量迅猛增长，待机电流(晶体管漏电流)也呈比例增长；动态功耗则受到电池电压、频率、负载模块和外设（时钟树和组合逻辑等）以及运行时间延长等因素的影响。

“针对不同的模式，可以采取不同的低功耗策略。”Microchip公司市场开发经理余军苗介绍，在待机模式下可采取：1）降低待机电流，利用新的深度休眠模式，消除晶体管漏电流。2）使用新的低功耗WDT、RTCC和BOR电路。运行模式下采取：1）缩短运行时间。提高指令集效率，确保MCU高效执行代码。单周期指令越多，意味着代码执行时间越短，最终使得运行功耗越低。2）充分用尽电池，确保MCU能最大限度用尽电池的电能；3）减少动态功耗。

此外，影响功耗的其他因素包括：1）可编程闪存：编程电压越低，应用寿命越长；2）灵活的唤醒源：确保唤醒源具有应用所需的延时长度。休眠时间越长，功耗越低；3）稳定时间：唤醒时外围模拟器件的稳定时间；4)模拟器件的最低工作电压：工作电压越低，应用寿命越长；例如，最低工作电压从2.3V降到 1.8V，就意味着增加13%的电池寿命。

综上所述，要延长电池寿命，可以从这几点入手：确保所用外设在低电压下工作；充分利用电池；执行时间短；通过深度休眠模式降低待机功耗。

nanoWatt XLP MCU

对于PIC单片机，最初的低功耗标准就是指纳瓦技术，自2003年以来，该技术已成为所有新兴PIC单片机的标准。纳瓦技术的最新变化统称为“nanoWatt XLP 技术”，新版本显著降低了功耗。nanoWatt XLP技术的三大突出优势包括：休眠电流可低至20nA；实时时钟电流可低至500nA；看门狗定时器电流可低至400nA。

“大多数低功耗应用都要求具备这几个特性中的一个或多个。而nanoWatt XLP技术在多个系列器件中整合了上述三个优势。” 余军苗介绍，“Microchip采用nanoWatt XLP技术的PIC MCU为设计人员提供了更大的灵活性，使他们的产品可以在耗能更少的情况下工作时间更长，即更换电池的次数更少。”

 
图1：PIC16/18F eXtreme低功耗MCU路线图。

例如，包括四种型号的 16位PIC24F16KA MCU系列，其典型休眠电流低至20nA，具备集成的EEPROM存储器，体积小巧，采用低引脚数(20引脚和28引脚)封装。据称，该系列MCU可使应用连续运行20年以上而无需更换电池。而含六种型号的PIC18F46J50 8位MCU系列的典型休眠电流更可低至20nA以下。

PIC18F46J50 系列是低电压通用串行总线（USB）单片机产品系列，在保留所有PIC18 单片机的主要传统优点的同时，还具有高性价比优势。这些器件具有针对USB及mTouch触摸传感解决方案的各种片上外设，为设计人员提供了丰富的、可兼容的低功耗迁移路径，功能丰富且功耗极低，非常适用于各种电池供电或电力有限的应用。在集成了EEPROM、振荡器、USB和电容式触摸传感外设的同时，还节省了整个系统的功耗。“凭借超低休眠电流和多种唤醒功能，Microchip的nanoWatt XLP单片机的性能大大超出了同类竞争产品。”余军苗介绍，“在未来几年，Microchip将陆续推出更多采用nanoWatt XLP的芯片。”

 
图2：PIC24F eXtreme低功耗MCU路线图。