如何使用延长电池寿命的双重设置

ଲେଖକ: ଆଇଫ୍ଲୋପାୱାର - Leverancier van draagbare energiecentrales

许多系统设计人员认为单个芯片消耗的功耗小于两个芯片。 其实很简单：芯片通信比单片机耗电更多，两种芯片上的晶体管都更多，因此相同功能的单片机漏电流更大。 但功耗技术却给出了这种传统的观点。

DSP设计人员将更多的功能，如加速器、通信模块和网络外设等集成到DSP芯片中，使得芯片对工程师更有用。 但这种功能更强大的芯片在完成简单的内部管理或者监控任务时，会比这项任务消耗更多的功耗。 在许多情况下，设计人员不能仅仅启用 DSP 芯片中所需的功能。

在某些用途上，微控制器（MCU）可以执行相同的系统监控任务，并且消耗比DSP更少的功耗。 所以，双芯片的架构：DSP和MCU也是可能的。 因此，采用一个低功耗DSP作为主方案，另一个低功耗MCU作为系统监控器，可以延长单个DSP完成相同任务所消耗的电池寿命。

为了帮助节省电力，工程师在选择 DSP 时应考虑以下因素：寻找更大容量的片上存储器。 DSP在访问芯片外部存储器时总会消耗较大的功耗。 外部DRAM存储恒定的功耗，从而消耗电池电能。

选择可以启动和关闭外设的DSP。 一些 DSP 可以自动关闭不活动的片上外设，从而提供多种控制和功耗省区。 选择能够在不同功率水平下实现多种待机状态的 DSP。

多电源供电，节省更多能源消耗。 选择针对功耗进行优化，降低功耗的开发软件的DSP。 该工具应该让开发人员轻松地改变芯片的电压和频率，管理电源状态，帮助他们评估和分解功耗信息。

MCU在某些用途中消耗的电流较小，低功耗半导体工艺可降低晶体管的漏电流，帮助芯片设计人员优化低功耗操作。 不幸的是，低功耗会限制 MCU 的性能。 例如，TEXASINSTRUMENTSMSP430MCU在待机模式下消耗500NA电流，最大时钟频率为16MHz。

TMS320C5506DSP运行的最大时钟频率为108MHz，待机模式下消耗10µ一股电流。 这表明它的功耗比 MSP430 高 20 倍。

从以往的发展来看，MCU内部的外设已经由软件来控制，可状态地维持CPU的状态。 而新增加的中断驱动（Interrupt-Driven）外设则以较少的软件开销，让MCU在大部分时间保持待机模式。 以内部模数转换器（ADC）硬件为例，它自动扫描输入通道、触发转换、执行DMA传输，解决接收数据的采样任务。

因此，ADC 几乎是自发运行的。 CPU仅使用很少的时间进行其供电服务，MCU节省了功耗。 多个时钟降低功率要求 MCU时钟系统的设计也有助于降低功耗。

图 1 中的电路图显示了由单个晶体操作的两个时钟。 MCU通常使用32kHz晶振，但不一定产生内部时钟信号、系统时钟（MCLK）和辅助时钟（ACLK）信号。 通常，晶体仅产生 ACLK 信号。

MCU的低功耗提取采用了32kHz辅助时钟，该时钟同时驱动MCU的实时时钟、高速数字控制振荡器（DCO）产生系统时钟信号，供CPU和高速外设使用。 DCO 可以通过多种方式生成时钟信号，每种方式都有不同的性能和功耗特性。 从低功耗到低功耗，这些时钟模式具有超低功耗振荡器 (VLO)、3kHz 晶体到 DCO。

为了降低功耗，设计人员在空闲模式下使用最低时钟（VLO或32kHz晶体），而在活动模式下则实现高频DCO供CPU使用。 DCO 可以小于 1µS的时间进入活跃状态，并完全稳定。 这种即时启用的功能可节省时间和功耗。

请注意，在活动分辨率中使用低频低功耗时钟将比切换到更快的时钟消耗更多的功耗。 在更高功耗模式下，低频率时钟会使 CPU 花费更多时间在特定任务上。 除了在某些外设上使用低速时钟节省功耗之外，MSP430MCU 还提供超低功耗振荡器来生成 ACLK 信号。

在待机功耗模式 (LPM3) 下，MSP430MCU 在 ACLK 操作和所有中断启用状态下的功耗通常低于 1µ一股电流。 因此，低功耗MCU在实时时钟或管理电池充电期间比DSP消耗更少的电量。

此外，DSP还可释放MCU的任务，使其能够执行信号解析任务。 功耗节省的结果工程师可以看到双需求设计达到了优异的效果。 想象一下一个依靠高端 DSP 来解决监控任务的系统。

该解决方案很快将使用 2,500mAh 镍氢 AA 电池。 若均匀消耗电流为10mA，则两块串联电池在10.5天内就会耗尽。

双分割使用可将电流降低至1mA，从而使电池使用寿命延长至120天。 双解决方案系统中的MCU是为了降低功耗，可以解决的一些系统或监控功能包括：实时时钟维护电源分类电源意义和复位键盘或人机界面管理电池管理显示控制DSP电源许多DSP电源的多个电源轨以固定的顺序应用，以保证DSP和外设的正常工作。 通常，这些轨道同时为核心 (CPU) 以及 DDR 内存和 I/O 设备供电。

虽然专用设备可以按照固定顺序向DSP芯片施加电压，但它不能执行其他功能。 较小的低功耗 MCU 可以对电源电压进行分类和监控，并执行电源控制任务（图 2）。 在这种情况下，软件会按照适当的顺序启动三个电源调节器电路。

MCU 使用其内部 ADC 在相应的电源轨上测试适当的电压。 当整个电路不需要DSP芯片时，MCU可以封装调节器来关闭DSP。 实际上MCU可以与压控振荡器通讯控制DSP的电压和频率，或者PLL通讯控制DSP的时钟频率。

因此，当DSP完成计算密集任务时，MCU可调时钟将DSP转换为待机模式，以节省功耗。 双向监控MCU测试DSP，了解其忙碌状态。 在此模式下，MCU 作为智能控制器运行。

另一方面，DSP可以读写MCU。 所以DSP可以根据使用情况，通知MCU减少或者提高DSP时钟。 使用 MCU 来完成 DSP 在单一解决方案系统中通常实现的其他任务，设计人员还可以获得更多益处。

例如在解决键盘操作的时候，MCU比DSP消耗的功耗要小。 MCU只有在检测到按钮的动作或者按钮的释放后，才会向DSP发送中断信号。 这种方式有助于减少因撞击而造成的过大电流消耗，这种情况在一些手持设备中经常出现。

为了进一步减轻DSP芯片的负荷，MCU可以为：驱动电路、标准SPI、UART、和I2C端口、用于射频通信的外设接口、电池管理电路、通用I/O端口、以及上面和前面提到的各个外设，MCU可以自动从低功耗模式启动。 因此，MCU 不会继续轮询外设来确定为哪一个服务，也不会确定执行任务的最大功耗。 外围设备将启动。

低功耗中的每一毫瓦都是十分宝贵的。 最后，设计人员没有基于计算、测量、功能和运行DSP或MCU之间的综合考虑，而使用一两个饱和器。