技術(shù)專家支招：如何設(shè)計(jì)低功耗和高性能的工業(yè)應(yīng)用

　　作者：Microchip公司高級單片機(jī)架構(gòu)部應(yīng)用工程經(jīng)理David Otten / Microchip公司醫(yī)療產(chǎn)品部資深應(yīng)用工程師Joel Mach

　　工業(yè)細(xì)分市場中的便攜式應(yīng)用要求低功耗、可靠和高性能。這類工業(yè)應(yīng)用的例子包括條形碼讀碼器、裝運(yùn)數(shù)據(jù)記錄器、高速公路跟蹤設(shè)備、降噪耳機(jī)、小型電機(jī)控制以及電池充電器。所有需要電池供電、零污染或移動(dòng)性的設(shè)備都具有相似的設(shè)計(jì)要求。

　　設(shè)計(jì)人員如何應(yīng)對這些挑戰(zhàn)？新一代的穩(wěn)定可靠、功能豐富且經(jīng)濟(jì)高效的單片機(jī)已經(jīng)上市。本文將介紹最新的單片機(jī)特性和一些設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，以幫助設(shè)計(jì)人員應(yīng)對工業(yè)應(yīng)用中的這些要求。

　　使單片機(jī)在盡可能長的時(shí)間內(nèi)保持在最低功耗狀態(tài)是最大化電池壽命的主要目標(biāo)。運(yùn)行速度快、喚醒時(shí)間短也就意味著平均功耗低，如圖1所示。單片機(jī)在高功率狀態(tài)下完成工作的速度越快，保持低功耗狀態(tài)的時(shí)間就越長。

　　
圖1 MCU電流消耗—時(shí)間曲線

　　但是，要延長電池壽命，降低功耗只完成了一半，還應(yīng)充分利用電池。為此，采用支持低電壓工作的單片機(jī)非常有價(jià)值。圖2顯示了Energizer 提供的堿性電池和紐扣式鋰電池在典型數(shù)據(jù)記錄器中的使用壽命。此應(yīng)用大多數(shù)時(shí)間處于低功耗狀態(tài)，偶爾喚醒以處理信息。堿性AAAA電池的建議保質(zhì)期為五 年?？梢钥吹?，堿性電池和鋰電池均從低工作電壓中受益。在此例中，與等效的2V單片機(jī)相比，會(huì)額外增加六個(gè)月的電池壽命。

　　圖2 數(shù)據(jù)記錄器電池性能示例

　　設(shè)計(jì)高性能和穩(wěn)定的工業(yè)應(yīng)用的另一注意事項(xiàng)是單片機(jī)的振蕩器特性，其重要性經(jīng)常被低估。振蕩器特性會(huì)影響許多方面，包括性能、系統(tǒng)成本、可制造性和可靠性。

　　新型單片機(jī)以更高的速度工作，并且能夠在沒有外部時(shí)鐘源的情況下全速運(yùn)行。還提供多種內(nèi)部生成的時(shí)鐘頻率。這樣軟件可以隨著電壓下降而切換到較低頻率，以保持在工作規(guī)范范圍內(nèi)，或者在連接電源后提高速度。

　　制造過程中另一個(gè)常見挑戰(zhàn)是晶振有時(shí)不能可靠起振。造成這一問題的一些常見原因有元件質(zhì)量變化、助焊劑殘留和布線疏忽。選擇高質(zhì)量晶振以及實(shí)施某些布線和測 試技術(shù)（如負(fù)電阻測試）可以避免其中的很多問題，這些技術(shù)可從晶振和單片機(jī)制造商處獲取。若允許配置晶振偏壓也會(huì)有幫助，尤其是對于低頻電路。這允許增加 偏壓，以確保在各種條件下均能可靠起振，或者減少偏壓以降低功耗。一些額外的工作將幫助制造團(tuán)隊(duì)避免這些類型的棘手問題。

　　一個(gè)可提高可靠性的出色特性是故障保護(hù)時(shí)鐘監(jiān)視器。它可以持續(xù)監(jiān)視系統(tǒng)時(shí)鐘轉(zhuǎn)換。一旦錯(cuò)過幾次轉(zhuǎn)換，它會(huì)自動(dòng)將時(shí)鐘源切換到內(nèi)部振蕩器并中斷CPU。這樣單片機(jī)可保持關(guān)鍵功能并執(zhí)行有序關(guān)閉。

　　盡管通過精心設(shè)計(jì)，低電壓單片機(jī)可用于高可靠性應(yīng)用， 但有時(shí)仍需要5V工作。它可以簡化電路板布線、提高抗噪聲能力并提高對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的支持。但是，隨著設(shè)計(jì)尺寸的減小，新的5V單片機(jī)的可用性也在降低。芯片 制造商意識到對這些器件的需求仍然很大，因而開發(fā)出了新的高電壓工作技術(shù)，找到了使更小、更廉價(jià)的單片機(jī)以較高電壓運(yùn)行的新方法。這對于尋求5V工作優(yōu)勢 的設(shè)計(jì)人員來說是個(gè)好消息。

　　為了進(jìn)一步提高抗噪聲能力，端口和外設(shè)引腳使用多個(gè)輸入緩沖器。不同的功能可能有不同的輸入緩沖器類型，盡管它們在同一個(gè)引腳上復(fù)用。施密特觸發(fā)器的輸入可提供比同類TTL器件更寬廣的輸入閾值范圍，并可提高系統(tǒng)的噪聲容限。

　　較高的端口驅(qū)動(dòng)能力是另一個(gè)重要的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。這不僅僅是直接驅(qū)動(dòng)LED。較高的端口驅(qū)動(dòng)能力可以防止在熟知的容易引入噪聲的電路（如開關(guān)式穩(wěn)壓器和高速PWM信號）附近產(chǎn)生無用耦合，但潛在的代價(jià)是會(huì)增大輻射噪聲。端口引腳上的小型RC濾波器將有助于抵消這些效果，同時(shí)保持高驅(qū)動(dòng)能力的優(yōu)勢。

　　內(nèi)部數(shù)據(jù)EEPROM似乎與軟盤驅(qū)動(dòng)器和8音軌播放器一樣成為過去。這是制造商轉(zhuǎn)向小型工藝尺寸的自然結(jié)果，這也使集成的成本高昂。一些軟件解決方案使用閃存來仿真數(shù)據(jù) EEPROM，但是，部分應(yīng)用需要獨(dú)立的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。最新的單片機(jī)產(chǎn)品可提供高耐用性的數(shù)據(jù)EEPROM，而且仍保持高性價(jià)比。其額定擦/寫次數(shù)高達(dá)10萬次。注意寫操作的最小電壓范圍，其有時(shí)會(huì)高于單片機(jī)的最小工作電壓，這會(huì)限制有效的工作范圍。

　　圖3 流量計(jì)示例

　　如圖3 所示，流量計(jì)是說明本文涵蓋的主題的一個(gè)好例子。單片機(jī)的集成充電時(shí)間測量單元（CTMU）可讀取流量計(jì)的流量、溫度和電容式觸摸板。使用12位差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和參考電壓來監(jiān)視電池電壓。超低功耗喚醒模塊執(zhí)行定期喚醒。如此例所示，選擇正確的單片機(jī)將提供穩(wěn)定可靠且內(nèi)部功能強(qiáng)大的低功耗解決方案。

　　——本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)09月技術(shù)特刊《智能工業(yè)特刊》，轉(zhuǎn)載請注明出處，違者必究！