技术专家支招：如何设计低功耗和高性能的工业应用

作者：Microchip公司高级单片机架构部应用工程经理David Otten /Microchip公司医疗产品部资深应用工程师Joel Mach

　　工业细分市场中的便携式应用要求低功耗、可靠和高性能。这类工业应用的例子包括条形码读码器、装运数据记录器、高速公路跟踪设备、降噪耳机、小型电机控制以及电池充电器。所有需要电池供电、零污染或移动性的设备都具有相似的设计要求。

　　设计人员如何应对这些挑战？新一代的稳定可靠、功能丰富且经济高效的单片机已经上市。本文将介绍最新的单片机特性和一些设计注意事项，以帮助设计人员应对工业应用中的这些要求。

　　使单片机在尽可能长的时间内保持在最低功耗状态是最大化电池寿命的主要目标。运行速度快、唤醒时间短也就意味着平均功耗低，如图1所示。单片机在高功率状态下完成工作的速度越快，保持低功耗状态的时间就越长。

图1 MCU电流消耗—时间曲线

　　但是，要延长电池寿命，降低功耗只完成了一半，还应充分利用电池。为此，采用支持低电压工作的单片机非常有价值。图2显示了Energizer 提供的碱性电池和纽扣式锂电池在典型数据记录器中的使用寿命。此应用大多数时间处于低功耗状态，偶尔唤醒以处理信息。碱性AAAA电池的建议保质期为五 年。可以看到，碱性电池和锂电池均从低工作电压中受益。在此例中，与等效的2V单片机相比，会额外增加六个月的电池寿命。

　　图2 数据记录器电池性能示例

　　设计高性能和稳定的工业应用的另一注意事项是单片机的振荡器特性，其重要性经常被低估。振荡器特性会影响许多方面，包括性能、系统成本、可制造性和可靠性。

　　新型单片机以更高的速度工作，并且能够在没有外部时钟源的情况下全速运行。还提供多种内部生成的时钟频率。这样软件可以随着电压下降而切换到较低频率，以保持在工作规范范围内，或者在连接电源后提高速度。

　　制造过程中另一个常见挑战是晶振有时不能可靠起振。造成这一问题的一些常见原因有元件质量变化、助焊剂残留和布线疏忽。选择高质量晶振以及实施某些布线和测 试技术（如负电阻测试）可以避免其中的很多问题，这些技术可从晶振和单片机制造商处获取。若允许配置晶振偏压也会有帮助，尤其是对于低频电路。这允许增加 偏压，以确保在各种条件下均能可靠起振，或者减少偏压以降低功耗。一些额外的工作将帮助制造团队避免这些类型的棘手问题。

　　一个可提高可靠性的出色特性是故障保护时钟监视器。它可以持续监视系统时钟转换。一旦错过几次转换，它会自动将时钟源切换到内部振荡器并中断CPU。这样单片机可保持关键功能并执行有序关闭。

　　尽管通过精心设计，低电压单片机可用于高可靠性应用， 但有时仍需要5V工作。它可以简化电路板布线、提高抗噪声能力并提高对传统设计的支持。但是，随着设计尺寸的减小，新的5V单片机的可用性也在降低。芯片 制造商意识到对这些器件的需求仍然很大，因而开发出了新的高电压工作技术，找到了使更小、更廉价的单片机以较高电压运行的新方法。这对于寻求5V工作优势 的设计人员来说是个好消息。

　　为了进一步提高抗噪声能力，端口和外设引脚使用多个输入缓冲器。不同的功能可能有不同的输入缓冲器类型，尽管它们在同一个引脚上复用。施密特触发器的输入可提供比同类TTL器件更宽广的输入阈值范围，并可提高系统的噪声容限。

　　较高的端口驱动能力是另一个重要的设计注意事项。这不仅仅是直接驱动LED。较高的端口驱动能力可以防止在熟知的容易引入噪声的电路（如开关式稳压器和高速PWM信号）附近产生无用耦合，但潜在的代价是会增大辐射噪声。端口引脚上的小型RC滤波器将有助于抵消这些效果，同时保持高驱动能力的优势。

　　内部数据EEPROM似乎与软盘驱动器和8音轨播放器一样成为过去。这是制造商转向小型工艺尺寸的自然结果，这也使集成的成本高昂。一些软件解决方案使用闪存来仿真数据 EEPROM，但是，部分应用需要独立的数据存储。最新的单片机产品可提供高耐用性的数据EEPROM，而且仍保持高性价比。其额定擦/写次数高达10万次。注意写操作的最小电压范围，其有时会高于单片机的最小工作电压，这会限制有效的工作范围。

　　图3 流量计示例

　　如图3 所示，流量计是说明本文涵盖的主题的一个好例子。单片机的集成充电时间测量单元（CTMU）可读取流量计的流量、温度和电容式触摸板。使用12位差分模数转换器（ADC）和参考电压来监视电池电压。超低功耗唤醒模块执行定期唤醒。如此例所示，选择正确的单片机将提供稳定可靠且内部功能强大的低功耗解决方案。

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