如何使用延長電池壽命的雙重設置

ଲେଖକ: ଆଇଫ୍ଲୋପାୱାର - Leverancier van draagbare energiecentrales

許多系統設計人員認為單一晶片消耗的功耗小於兩個晶片。 其實很簡單：晶片通訊比單晶片耗電更多，兩種晶片上的電晶體都更多，因此相同功能的單晶片漏電流更大。 但功耗技術卻給了這個傳統的觀點。

DSP設計人員將更多的功能，如加速器、通訊模組和網路週邊等整合到DSP晶片中，使得晶片對工程師更有用。 但這種功能更強大的晶片在完成簡單的內部管理或監控任務時，會比這項任務消耗更多的功耗。 在許多情況下，設計人員不能僅僅啟用 DSP 晶片中所需的功能。

在某些用途上，微控制器（MCU）可以執行相同的系統監控任務，並且消耗比DSP更少的功耗。 所以，雙晶片的架構：DSP和MCU也是可能的。 因此，採用一個低功耗DSP作為主方案，另一個低功耗MCU作為系統監控器，可以延長單一DSP完成相同任務所消耗的電池壽命。

為了幫助節省電力，工程師在選擇 DSP 時應考慮以下因素：尋找更大容量的片上記憶體。 DSP在存取晶片外部記憶體時總是會消耗較大的功耗。 外部DRAM儲存恆定的功耗，進而消耗電池電能。

選擇可以啟動和關閉週邊裝置的DSP。 一些 DSP 可以自動關閉不活動的片上外設，從而提供多種控制和功耗省區。 選擇能夠在不同功率等級下實現多種待機狀態的 DSP。

多電源供電，節省更多能源消耗。 選擇針對功耗進行最佳化，降低功耗的開發軟體的DSP。 該工具應該讓開發人員輕鬆地改變晶片的電壓和頻率，管理電源狀態，幫助他們評估和分解功耗資訊。

MCU在某些用途中消耗的電流較小，低功耗半導體製程可降低電晶體的漏電流，幫助晶片設計人員優化低功耗操作。 不幸的是，低功耗會限制 MCU 的效能。 例如，TEXASINSTRUMENTSMSP430MCU在待機模式下消耗500NA電流，最大時脈頻率為16MHz。

TMS320C5506DSP運轉的最大時脈頻率為108MHz，待機模式消耗10µ一股電流。 這表明它的功耗比 MSP430 高 20 倍。

從過去的發展來看，MCU內部的周邊裝置已經由軟體來控制，可狀態維持CPU的狀態。 而新增加的中斷驅動（Interrupt-Driven）週邊則以較少的軟體開銷，讓MCU在大部分時間維持待機模式。 以內部類比數位轉換器（ADC）硬體為例，它會自動掃描輸入通道、觸發轉換、執行DMA傳輸，解決接收資料的取樣任務。

因此，ADC 幾乎是自發性運作的。 CPU僅使用很少的時間進行其供電服務，MCU節省了功耗。 多個時脈降低功率需求 MCU時脈系統的設計也有助於降低耗電量。

圖 1 中的電路圖顯示了由單一晶體操作的兩個時脈。 MCU通常使用32kHz晶振，但不一定會產生內部時脈訊號、系統時脈（MCLK）和輔助時脈（ACLK）訊號。 通常，晶體僅產生 ACLK 訊號。

MCU的低功耗提取採用了32kHz輔助時鐘，該時鐘同時驅動MCU的實時時鐘、高速數位控制振盪器（DCO）產生系統時脈訊號，供CPU和高速週邊使用。 DCO 可以透過多種方式產生時脈訊號，每種方式都有不同的效能和功耗特性。 從低功耗到低功耗，這些時脈模式具有超低功耗振盪器 (VLO)、3kHz 晶體到 DCO。

為了降低功耗，設計人員在空閒模式下使用最低時脈（VLO或32kHz晶體），而在活動模式下則實現高頻DCO供CPU使用。 DCO 可以小於 1µS的時間進入活躍狀態，並完全穩定。 此即時啟用的功能可節省時間和功耗。

請注意，在活動解析度中使用低頻低功耗時鐘將比切換到更快的時鐘消耗更多的功耗。 在更高功耗模式下，低頻率時脈會使 CPU 花費更多時間在特定任務上。 除了在某些週邊設備上使用低速時脈節省功耗之外，MSP430MCU 還提供超低功耗振盪器來產生 ACLK 訊號。

在待機功耗模式 (LPM3) 下，MSP430MCU 在 ACLK 操作和所有中斷啟用狀態下的功耗通常低於 1µ一股電流。 因此，低功耗MCU在即時時鐘或管理電池充電期間比DSP消耗更少的電量。

此外，DSP還可以釋放MCU的任務，使其能夠執行訊號解析任務。 功耗節省的結果工程師可以看到雙需求設計達到了優異的效果。 想像一下一個依賴高階 DSP 來解決監控任務的系統。

此溶液很快將使用 2,500mAh 鎳氫 AA 電池。 若平均消耗電流為10mA，則兩顆串聯電池在10.5天內就會耗盡。

雙分割使用可將電流降低至1mA，使電池使用壽命延長至120天。 雙解決方案系統中的MCU是為了降低功耗，可以解決的一些系統或監控功能包括：實時時鐘維護電源分類電源意義和復位鍵盤或人機介面管理電池管理顯示控制DSP電源許多DSP電源的多個電源軌以固定的順序應用，以確保DSP和周邊的正常工作。 通常，這些軌道同時為核心 (CPU) 以及 DDR 記憶體和 I/O 裝置供電。

雖然專用設備可以按照固定順序向DSP晶片施加電壓，但它無法執行其他功能。 較小的低功耗 MCU 可以對電源電壓進行分類和監控，並執行電源控制任務（圖 2）。 在這種情況下，軟體會按照適當的順序啟動三個電源調節器電路。

MCU 使用其內部 ADC 在對應電源軌上測試適當的電壓。 當整個電路不需要DSP晶片時，MCU可以封裝調節器來關閉DSP。 實際上，MCU可以與壓控振盪器通訊，控制DSP的電壓和頻率，或是PLL通訊控制DSP的時脈頻率。

因此，當DSP完成計算密集任務時，MCU可調時脈將DSP轉換為待機模式，以節省功耗。 雙向監控MCU測試DSP，了解其忙碌狀態。 在此模式下，MCU 作為智慧控制器運作。

另一方面，DSP可以讀寫MCU。 所以DSP可以根據使用情況，通知MCU減少或是提高DSP時脈。 使用 MCU 來完成 DSP 在單一解決方案系統中通常實現的其他任務，設計人員還可以獲得更多好處。

例如在解決鍵盤操作的時候，MCU比DSP消耗的功耗小。 MCU只有在偵測到按鈕的動作或按鈕的釋放後，才會向DSP發送中斷訊號。 這種方式有助於減少因撞擊而造成的過大電流消耗，這種情況在一些手持設備中經常出現。

為了進一步減輕DSP晶片的負載，MCU可以為：驅動電路、標準SPI、UART、和I2C埠、用於射頻通訊的周邊介面、電池管理電路、通用I/O埠、以及上面和前面提到的各個週邊設備，MCU可以自動從低功耗模式啟動。 因此，MCU 不會繼續輪詢外設來確定為哪一個服務，也不會確定執行任務的最大耗電量。 外圍設備將啟動。

低功耗中的每一毫瓦都是十分寶貴的。 最後，設計人員沒有基於計算、測量、功能和運行DSP或MCU之間的綜合考慮，而使用一到兩個飽和器。