技術專家支招：如何設計低功耗和高性能的工業應用

　　作者：Microchip公司高級單片機架構部應用工程經理David Otten / Microchip公司醫療產品部資深應用工程師Joel Mach

　　工業細分市場中的便攜式應用要求低功耗、可靠和高性能。這類工業應用的例子包括條形碼讀碼器、裝運數據記錄器、高速公路跟蹤設備、降噪耳機、小型電機控制以及電池充電器。所有需要電池供電、零污染或移動性的設備都具有相似的設計要求。

　　設計人員如何應對這些挑戰？新一代的穩定可靠、功能豐富且經濟高效的單片機已經上市。本文將介紹最新的單片機特性和一些設計注意事項，以幫助設計人員應對工業應用中的這些要求。

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

　　
圖1 MCU電流消耗—時間曲線

　　但是，要延長電池壽命，降低功耗只完成了一半，還應充分利用電池。為此，采用支持低電壓工作的單片機非常有價值。圖2顯示了Energizer 提供的堿性電池和紐扣式鋰電池在典型數據記錄器中的使用壽命。此應用大多數時間處于低功耗狀態，偶爾喚醒以處理信息。堿性AAAA電池的建議保質期為五 年。可以看到，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單片機相比，會額外增加六個月的電池壽命。

　　圖2 數據記錄器電池性能示例

　　設計高性能和穩定的工業應用的另一注意事項是單片機的振蕩器特性，其重要性經常被低估。振蕩器特性會影響許多方面，包括性能、系統成本、可制造性和可靠性。

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

　　制造過程中另一個常見挑戰是晶振有時不能可靠起振。造成這一問題的一些常見原因有元件質量變化、助焊劑殘留和布線疏忽。選擇高質量晶振以及實施某些布線和測 試技術（如負電阻測試）可以避免其中的很多問題，這些技術可從晶振和單片機制造商處獲取。若允許配置晶振偏壓也會有幫助，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隊避免這些類型的棘手問題。

　　一個可提高可靠性的出色特性是故障保護時鐘監視器。它可以持續監視系統時鐘轉換。一旦錯過幾次轉換，它會自動將時鐘源切換到內部振蕩器并中斷CPU。這樣單片機可保持關鍵功能并執行有序關閉。

　　盡管通過精心設計，低電壓單片機可用于高可靠性應用， 但有時仍需要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設計的支持。但是，隨著設計尺寸的減小，新的5V單片機的可用性也在降低。芯片 制造商意識到對這些器件的需求仍然很大，因而開發出了新的高電壓工作技術，找到了使更小、更廉價的單片機以較高電壓運行的新方法。這對于尋求5V工作優勢 的設計人員來說是個好消息。

　　為了進一步提高抗噪聲能力，端口和外設引腳使用多個輸入緩沖器。不同的功能可能有不同的輸入緩沖器類型，盡管它們在同一個引腳上復用。施密特觸發器的輸入可提供比同類TTL器件更寬廣的輸入閾值范圍，并可提高系統的噪聲容限。

　　較高的端口驅動能力是另一個重要的設計注意事項。這不僅僅是直接驅動LED。較高的端口驅動能力可以防止在熟知的容易引入噪聲的電路（如開關式穩壓器和高速PWM信號）附近產生無用耦合，但潛在的代價是會增大輻射噪聲。端口引腳上的小型RC濾波器將有助于抵消這些效果，同時保持高驅動能力的優勢。

　　內部數據EEPROM似乎與軟盤驅動器和8音軌播放器一樣成為過去。這是制造商轉向小型工藝尺寸的自然結果，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據 EEPROM，但是，部分應用需要獨立的數據存儲。最新的單片機產品可提供高耐用性的數據EEPROM，而且仍保持高性價比。其額定擦/寫次數高達10萬次。注意寫操作的最小電壓范圍，其有時會高于單片機的最小工作電壓，這會限制有效的工作范圍。

　　圖3 流量計示例

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

　　——本文選自電子發燒友網09月技術特刊《智能工業特刊》，轉載請注明出處，違者必究！