電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
CR2032紐扣電池廣泛用于小型MCU如遠程環境傳感器中，這是一種鋰/二氧化錳3V原電池。典型的供應商-例如，柯達（參考1）-評定230mAh到2V的終點電壓能力為5.6k?(約有0.5mA).如果是那樣的話，電池壽命將為400小時，相比之下，能源敏感的使用能使使用壽命達到20萬小時。這種特殊的電池具有很好的貨架壽命或自放電率，數據表顯示10年之后其容量達90％。非常相近的是，這相當于連續充電約0.25?A,如果能夠達到10-20年的電池壽命,使用的一般要求就會滿足。
伴隨電池壽命的是數量有限的電荷，設計者非得在MCU運行的所有階段減少產品的電流和時間，不僅要減少每微安的數量，也要減少每個動作的每個微秒。
為了減少深度睡眠模式下消耗的電流，在能源敏感使用的MCU中采用8位（或16位）內核已很普遍。其理由是，8位內核—即使在最新版本中也經常采用這樣的設計--很小，門控相對較少，靜電或泄露電流低。但是，許多今朝的使用都需要比8位內核更大的解決功率。在其它MCU使用范疇，用戶往往選擇從一個8位升級到一個32位環境。在低功耗的情況下，人們一直假定32位內核在其掉電模式狀態時使用的電流一定是高得令人無法接受的。隨著全套低功耗設計技術的出現，今天的IC設計師們已經可能讓一個32位ARM內核提供不同的低功耗模式了，與其8位的競爭對手一樣好，甚至更好，而且還能實現快速喚醒時間。32位解決器更高的解決性能也使MCU可以更快完成任務，從而能夠在這些低功耗模式中花更多時間來進一步降低均勻功耗。
低功耗外圍設備功能要優化最低耗用功率的MCU睡眠狀態功耗需要整體的設計辦法。除了內核，MCU里的其它模塊在待機設備、穩壓器、偏置電流發生器，欠壓測試比較儀、加電復位電路中會持續吸引一些電流。在幾乎所有情況下，簡單的交替換位都適用;掉電狀態越深，就越多外圍設備的功能被完全切斷，芯片準備好實行解決任務的喚醒時間越長。由于使用的差別很大，MCU設計師提供一種靈活的斷電狀態下的擴展套件形式就顯得很緊要了，這樣產品設計人員就可以很好地為他個人的項目進行待機功率和應和能力的交替換位。
設計實行ARM內核以實今朝nanoamp區最深睡眠狀態的電流水平只是低能源戰略的一個步驟。能夠提供一個32位內核的解決能力為控制能源使用開辟了新途徑，在任何時候，它是MCU供電圖下面的區域，隨著時間的推移，它表示從電池里取走的電荷（圖2）。就是這樣，在詳盡配置中電流消耗的大標題數字越多，設計人員就非得密切留意要最大限度地延長電池的使用壽命。在EFM32微控制器的開發工具包中，這種測量是很清楚的;這個工具包的基本功能部分是其先進能源監控器（圖3）。該設施在填充MCU內核的電流軌中不斷測量電流;一個從模擬到數字的轉換器（ADC）通過電阻器采集電壓，而開發工具包軟件集成其讀數來精確測量不同時間的功率。
一個32位的內核比能力較小的MCU花更少的時間去積極完成一項相同的任務：同時，該內核在運行時使用的功率也應盡可能低。聚集于低功耗的IC設計師們得到了許多精致的設計來實現其目標。例子包括優化所有芯片同步邏輯的時鐘門控結構，并組織總線系統和內存–SRAM和閃存-在任何特定解決中的最小開關-。采用全套低功耗設計辦法會在閃存中萌生一個運行典型代碼的ARMCortex-M3內核，而使用少到180μA/MHz的能量。認真使用這些相同的技術可以保證數字測量準確，減少到低時鐘速率，而不僅是一個最佳性能數字。一旦MCU被喚醒并執行使用代碼，M3內核使用Thumb2指令集也有助于減少“活躍時間”。有了這樣的緊湊型16位指令的雙取指令功能，Thumb2ISA的效率非常好。
在減少電流乘微秒產品時，MCU設計師有很多更好的策略要部署。一個是不僅減少內核在實際解決使用代碼時所花的時間，而且縮短喚醒刺激之間的處理時間-無論是定時生成或事件驅動-并且CpU正在準備做“真正的工作”。一條線路是最大限度地減少啟動時間以及內核的時鐘信號供應。眾所周知，當一個晶體振蕩器從封閉狀態中啟動時，在作為一個系統時鐘使用之前，它需要一些時間來穩定其輸出。相反，一個RC振蕩器作為MCU非得完成的所有任務的時基可能不夠準確，但會在開機后的幾乎一瞬間萌生有規矩的輸出。部分處理方案是縮短同時提供信號的時間;CpU在開機的同時就開始運行，用RC振蕩器調整時鐘，而一個小控制電路等它一穩定下來就將時鐘源傳到一個晶體振蕩器上。RC振蕩器輸出中任何頻率精度的不足都不很緊要，因為使用它的周期較短。
簡單的任務不需要MCU內核
盡管設計師十分留意要用一個有能力的解決內核來提供功率，并且在盡可能短的時間內實現了這個目標，對芯片設計師和系統設計師有用的是要問問給定任務是不是需要這樣的內核：如果喚醒它只是執行簡單任務的話，即使是最節能的內核也會浪費電池的電荷。我們再用環境傳感器的使用作個例子–它可能需要定期測量，但只需在不頻繁的時間間隔內將測量結果報告到中央數據記錄器里。運行通信接口的軟件堆棧一定會要求喚醒MCU內核，但會更頻繁地打開模擬到數字的轉換器，指導A/D轉換，并以低功耗內存積累結果，如果只要求外圍設備設置在互連矩陣（圖4）的控制下自主運作的話，消耗的功率會很少。由于使用的差別很大，選擇哪些功能模塊來供電以及它們要怎么樣連接的高度靈活性對充足利用這一概念非常緊要。
在電源預算中加密碼眾所周知，在現代CMOS半導體工藝中，為硬連接塊IC增加功能的硅區成本相對較低。這萌生了輕微的與直覺不一致的結果，為了把功耗降到最低，最有效的選擇往往是增加門控數。有了先進的鐘樹設計、時鐘門控和線路板電源開關，IC設計人員可以隨時隨地很容易地完全切斷電源。這種辦法的一個突出功能就是加密。即使是看似平常的數據今朝也通過例行的加密來保證安全，通常已知的算法為AES。這對一個32位MCU內核而言不是一項具有挑戰性的任務，但它實在占用了大量的解決器周期，延長了總的微安倍乘總微秒。大多數這些周期花在了執行一些內部循環中的算法上;增加一個AES加速器硬件模塊會使MCU停止AES算法，轉向專用硬件，并與其它解決器和睦相處，以更少的周期得到加密（或解密）結果。
迅速張大的能源敏感使用類別-由少數高端類別如智能電能計量領導-重新界定了用電池驅動一個產品的意思：這些產品非得在一個單電池的驅動下提供服務，并比較電池本身的貨架期，在電池制造商指定的最大時間間隔的相同范圍內：達到，甚至超過20年。惟有一個高度集成的單芯片的微控制器能為這樣的設計提供一個實際的處理方法。IC設計師們十分注重低功耗芯片設計的每個方面，今朝可以提供現代、功能強大的32位解決器內核給產品設計師了，而同時盡可能地降低了功率要求。
圖1：人們期待新一代的計量產品能定期報告其讀數給計費和資源管理人員，同時在二十年里其運行無人看管。
圖3先進能源監控跟蹤該MCU通過其嵌入代碼的完整操作周期從電池中吸收的總充電量。
圖4使用一個互連矩陣或\'外圍設備反射系統\'可以執行簡單的任務如開始數據轉換和存儲結果，完全無需喚醒32位解決器內核。
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