中心議題：

• 正常操作時的微控製器電源特性
• 電壓轉換的好處
• 將正常操作模式的時間減到最少

解決方案：

• 集成式解決方案

今(jin)日(ri)的(de)便(bian)攜(xie)式(shi)產(chan)品(pin)設(she)計(ji)對(dui)所(suo)用(yong)的(de)電(dian)池(chi)會(hui)有(you)些(xie)相(xiang)互(hu)衝(chong)突(tu)的(de)要(yao)求(qiu)，例(li)如(ru)更(geng)豐(feng)富(fu)的(de)產(chan)品(pin)功(gong)能(neng)會(hui)增(zeng)加(jia)耗(hao)電(dian)

，使(shi)用(yong)者(zhe)也(ye)希(xi)望(wang)電(dian)池(chi)使(shi)用(yong)時(shi)間(jian)更(geng)長(chang)，但(dan)不(bu)斷(duan)縮(suo)小(xiao)的(de)產(chan)品(pin)體(ti)積(ji)和(he)成(cheng)本(ben)限(xian)製(zhi)卻(que)使(shi)電(dian)池(chi)容(rong)量(liang)無(wu)法(fa)增(zeng)加(jia)，因(yin)此(ci)節(jie)省(sheng)電(dian)力(li)就(jiu)成(cheng)為(wei)最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)考(kao)慮(lv)。傳(chuan)統(tong)設(she)計(ji)為(wei)了(le)將(jiang)耗(hao)電(dian)減(jian)到(dao)最(zui)少(shao)，通(tong)常(chang)都(dou)盡(jin)可(ke)能(neng)減(jian)少(shao)電(dian)流(liu)消(xiao)耗(hao)；但其實電池的蓄電量是電壓
、dianliuheshijiandechengji，yaoyouxiaotishengzhenggexitongdedianyuanxiaolv，jiubixutongshikaolvzhesanxiangbianliang。weikongzhiqixitongruoyidianchizuoweidianyuan，zhexiedianchiyounengyoushiyongzhegenghuan，zekecaiyongzhuanweiyinyingzhexiebianliangershejideweikongzhiqi，yinweizhexieweikongzhiqiketongguoxinpianneizhidianyazhuanhuandenggongnenghechuantongdihaodiancaozuomoshilaijiejueqianshuwenti。

電池特性      

多數低端和中端便攜式產品都會使用可替換的電池或充電電池
，這些電池還能由使用者自行更換。如圖1所示，剛充完電時的單節電池電壓通常會在1.2-1.6V之間，電力耗盡時則下降至0.9-1.0V。把兩個單節電池串聯即可提供1.8-3.2V之間的電壓。

正常操作時的微控製器電源特性       

常見的低耗電微控製器都能在兩顆電池的供電範圍操作。例如多數8和16位微控製器都是采用0.35微米CMOS技術，它們的操作電壓最高達到3.6V，但若電壓隻有1.8V就jiu會hui影ying響xiang其qi效xiao能neng。電dian壓ya較jiao低di時shi，數shu字zi邏luo輯ji的de操cao作zuo速su度du會hui變bian慢man，模mo擬ni開kai關guan組zu件jian的de導dao通tong阻zu抗kang也ye會hui變bian大da。組zu件jian效xiao能neng同tong樣yang會hui隨sui著zhe電dian池chi電dian壓ya改gai變bian，隻zhi不bu過guo電dian池chi電dian壓ya與yu應ying用yong需xu求qiu通tong常chang毫hao不bu相xiang幹gan。除chu此ci之zhi外wai，如ru果guo數shu字zi邏luo輯ji的de設she計ji是shi為wei了le在zai最zui低di電dian池chi電dian壓ya下xia操cao作zuo
，它ta在zai電dian壓ya較jiao高gao時shi就jiu會hui消xiao耗hao較jiao多duo的de電dian流liu。      

CMOS邏輯門的動態功耗可寫為：P = C × V2 × f
，其中C為負載電容，它是設計和工藝技術的函數；V為供應電壓
；f則是開關頻率，它是應用處理需求的函數。電源電壓是控製功耗的主要手段
，因此若能像C8051F9xx內含低壓差 (LDO) 穩壓器一樣
，直接在芯片中增加電壓轉換功能
，就能提供穩定的1.8V電壓給微控製器的數字核心 (參考圖2)，使動態功耗大幅下降。

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電壓轉換的好處      

觀察CMOS技術的動態功耗關係有助於了解使用LDO穩壓器的優點：        
P = C × V2 × f             
   = V × (C × V × f)
   = V × I
其中動態電流I = C × V × f       

分析動態電流時，我們常以1MHz頻率或特定電源電壓為基準將動態電流正規化；例如在1.8V電壓下

，常見的低耗電微控製器每MHz會有220μA的動態電流消耗。如果沒有電源穩壓，則在電壓為3.2V時會增加到每MHz等於220 × (3.2/1.8) = 391μA。但若使用LDO穩壓器
，電池電流在整個電壓範圍都會固定在每MHz為220μA。設計人員還能升級到更先進的0.18微米工藝技術，使數字邏輯的速度更快，電流消耗則減少2到3成。要將操作電壓降至1.8V以下其實並不難，但現有的閃存技術至少需要1.8V電壓

，許多模擬外圍也需要1.8V以上的電壓來滿足效能和應用需求。       

圖1顯示沒有一種單電池或雙電池架構能提供1.6-1.8V間的電壓。若微控製器核心電壓在這個範圍
，那麼使用2顆電池時可由LDO提供所需電壓，若是1顆電池則可使用以電感為基礎的DC/DC升壓轉換器。在整個電池壽命期間，電池供電電路隻需進行升壓或降壓轉換，不必在兩種模式之間動態切換。集成式DC/DC升壓轉換器 (例如C8051F9xx內含轉換器) 雖會使電路複雜性略增
，卻能讓係統靠著一顆電池操作，大幅降低產品的成本與體積。        

LDO雖能大幅降低雙電池係統的耗電
，DC/DC升壓轉換器卻能提供比LDO還高的整體電源效率。在其它條件都相同的情形下
，單電池設計若采用效率高達80%的DC/DC升壓轉換器，則其耗電將隻有不含LDO的傳統0.35微米雙電池設計的一半。

休眠模式要求       

yaotigongzuidadianyuanxiaolvhezuichangdianchishouming，jiubixujiangweikongzhiqizaihuanxingguochenghezhengchangmoshixiadecaozuozuijiahua，quebaozujianduoshushijiandouchuyuchaodihaodiandexiumianmoshi。zaiyouxieyingyongzhong，xiumianmoshidianliushiyingxiangzhengtidianyuanxiaohaodezuidayinsu。       

要將休眠模式的電流減到最少，就必須關閉LDO和DC/DC轉換器，同時切斷數字核心的電源供應。它們必須能快速啟動，以便微控製器迅速回到正常操作模式。電源管理和實時時鍾電路 (RTC) 等許多模塊就算在休眠模式也要操作，故須能使用0.9-3.2Vdeweiwenyadianyuangongzuo。qieduanshuzihexinluojidedianyuanhainengfangzhijiezhizhuangtailoudianliuzaochengxiumianmoshidianliuzengjia
，zhibuguoweikongzhiqijishijinruxiumianmoshi，yeyaobaocunRAM內存和所有緩存器的內容，以便程序從正確的位置恢複執行。它還需要某種型式的連續供應電壓監控或電壓突降偵測 (brownout detection) 功能，確保電壓就算降到保存數據所需的最低電壓以下，這些狀態數據也不會毀損。       

最後，微控製器應能在外部事件觸發或內部計時終止時離開休眠模式
，而且最好能夠同時支持石英晶體或RC振蕩器。為了確保電池壽命最長，整個芯片包括電壓突降偵測電路和32.768KHz石英振蕩器在內的休眠模式電流應小於1μA。舉例來說
，C8051F9xx包括電壓突降偵測電路在內的典型休眠模式電流隻有50nA，還能迅速從休眠模式回到正常操作模式 (使用2顆電池時通常為2μs，1顆電池時則不到10μs)。

將正常操作模式的時間減到最少       

weikongzhiqizaixiumianmoshihezhengchangmoshizhijianqiehuanshi
，jinguandianliuxiaohaojiaoda
，shijiqueweizuoshenmeyouyongdegongzuo。kuaisuhuanxingshijiannengjieshenghaodian，bingduijuyoushixiaoxingdechufashijianxunsuzuochuxiangying，liruyinweichuanxingduankoudongzuoerhuidaozhengchangmoshi。bimianzaigaosuxitongpinlvdianluzhongshiyongqidonghuanmandeshiyingzhendangqi，eryingxuanzejingquehekuaisuqidongdexinpianneizhizhendangqi。monimokuaideqidongfangshihaihuiduiweikongzhiqitingliuzaizhengchangmoshideshijianzaochenghendayingxiang，lirushiyongwaibujieouhedianrongdewenyaqihuodianyacankaodianlukenengxuyaoshuhaomiaocainengwending。jinruzhengchangcaozuomoshihou，shuzihexinyingyizuidapinlvpinlvgongzuo，zheyangcainengrangjingtaidianliufentandaojiaoduodepinlvzhouqi，shidemeiMHz的電流消耗降低。分析這項效能指標時
，最好將所有的靜態電流源包含在內，如供應電壓和頻率監控電路、參考電壓電路

、LDO穩壓器和係統頻率振蕩器。

集成式解決方案的優點       

無論讓傳統微控製器搭配外接式LDO穩壓器或DC/DC升sheng壓ya轉zhuan換huan器qi，其qi效xiao能neng都dou比bi不bu上shang完wan全quan集ji成cheng式shi解jie決jue方fang案an。集ji成cheng式shi組zu件jian不bu但dan大da幅fu減jian少shao體ti積ji和he成cheng本ben
，集ji成cheng式shi電dian壓ya轉zhuan換huan器qi的de效xiao率lv通tong常chang也ye較jiao高gao
，因yin為wei它ta們men是shi專zhuan為wei供gong電dian給gei微wei控kong製zhi器qi核he心xin所suo設she計ji。最zui後hou，外wai接jie式shi轉zhuan換huan器qi不bu能neng關guan機ji進jin入ru休xiu眠mian模mo式shi
，否fou則ze就jiu無wu法fa提ti供gong電dian源yuan給gei微wei控kong製zhi器qi。有you些xie外wai接jie式shiDC/DC升壓轉換器可於待機模式下提供電源給休眠中的微控製器，但待機模式通常會從電池汲取數十微安培的電流。