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Silicon Labs超低功耗单电池供电系列MCU介绍

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Silicon Labs超低功耗单电池供电系列MCU介绍


 


罗国才 应用工程师,世强电讯


现在的电子产品,对低功耗的要求越来越高,是工程师必须面对的问题。以MCU为核心的系统,在低功耗产品的设计过程中,一般从硬件和软件方面来入手,因此选择低功耗MCU成为关键。


 


目前的MCU低功耗产品普遍存在和面临的主要问题


1、工作电压一般在1.8V,很难达到1.5V以下,因为要兼顾到处理器的IO输出能力,其电压不能太低,但实际情况是要求工作电压越低越好。


2、产品设计过程中旺旺需要芯片有更高集成度,能够高速运行且有低功耗的工作模式,在这种工作模式下,每MHz的工作电流要足够低;从低功耗模式到工作模式的切换,要求时间要短和电流很小。


3、唤醒要快,而这又和待机低功耗发生矛盾。


4、具备实时时钟RTC时,待机电流难以降低。


 


针对这些问题,Silicon Labs专门推出了业内领先概念的低功耗MCU系列,它具备如下特点:


1,    内置Boost升压电路,可以在0.9V输入电压下正常工作。


2,    同时内置了LDO,为MCU低功耗和稳定工作提供了硬件保障。


3,    超低的待机功耗,RTC不工作时待机电流低至10nARTC工作时,待机电流低至300nA


4,    工作时达到160uA/MIPS的业内最低功耗。


5,    为低功耗而优化的AD转换器设计,可以在输入为0.9V时正常工作,具备Burst突发采样模式,降低MCU的负担。


6,    丰富的唤醒模式,大大提高了系统设计的灵活性并使MCU可以经常处于待机模式下。


Silicon Labs独特的低功耗设计—-电源管理单元PMU


该设计可以实现数字电路工作在1.8V,通过内部DC-DC功能,使电池提供的电压比较低,也能提供3.3VIO驱动输出,能驱动LED、无线通讯器件等。见图1



MCU的电源管理中,供给IO模块及模拟单元的电源,可以选择DC-DC模块转换后的电压,或者直接选择外部电源VDD。通过LDO转换的稳定电源1.8V,可以供MCU部分工作,为内部RTCPMURAM供电;对于内部RTCPMURAM,也可以灵活选择电池直接进行供电。


丰富的待机和唤醒模式


C8051F9xx系列数字和模拟部分在休眠状态下,唤醒时间均为2µS;在RTC不工作情况下,低功耗模式下电流低至10nA,在RTC工作的情况下也只有300nA的工作电流。在多种电源工作模式下的描述、唤醒方式、省电情况如下表:


 



独特的AD采样工作模式


ADC10位采样的情况下,具有300Ksps采样速率,而且突发的采样工作模式,能减少MCU的操作指令和工作时间。在突发采样工作模式下,采样开始后,ADC上电工作并且进行输入信号跟踪,通过电压转换,经过一个系统时钟后便进入断电的低功耗模式,等待下一次采样开始。整个采样过程中, MCU程序不需要进行上电和断电的操作,有效降低功耗。下图为:



低功耗实现


以一个低功耗设计为例,其基本模式为:每0.5秒唤醒一次, 进行ADC采样,完成数字处理,再休眠的循环工作模式。系统长时间工作,电池电压会逐渐降低,以至电池不能正常供电;应用Silicon Labs系统的电池电压下降比较慢,电池寿命可以达到1100天左右,而其他品牌的低功耗MCU应用则不能。见图3


该系统以C8051F912为例,如下图。



MCU在休眠的情况下,具有非常低的电流,其唤醒时间也只有2µS;在系统工作的时候,MCU运行非常快,包括ADC采样速率也很高。由于MCU工作时功耗大一些,就需要快速完成功能且进入休眠模式。



如上图4Silicon Labs如果在系统时钟25MHz工作电流可稍微大一些,工作时间则非常短,而功耗是工作电流和工作时间的乘积来计算的,也就是其“面积”。而其他应用系统工作电流虽然较小,但是工作时间长很多,总共的功耗“面积”就会高出许多。


Silicon Labs目前推出的产品系列


目前Silicon Labs已经推出了C8051F90x/91x/92x/93x系列,



这些系列包括了丰富的外设资源,如下:


124.5MHz的内置振荡电路。


22个独立的比较器。


3UARTSPII2C通讯接口。


4RTC实时时钟。


5PCA模块可以实现PWM、频率、边沿捕获、定时器等功能。


产品应用(见下图6



 


开发工具


Silicon Labs的授权代理商世强电讯已可以提供完整的开发套件,C8051F912DK;内有开发软件,数据手册,编程器,开发板及电源等。


此外,还可以从世强电讯获得相关产品的应用笔记,包括:


    AN358: C8051F9xx优化低功耗操作模式


AN359: C8051F9xx调试技巧


AN431: C8051F93x-C8051F90x 软件设计向导


 


单电池供电的低功耗MCU,以其高集成度、低电流、工作模式低功耗、快速唤醒,以及快速的数据处理能力,将能很好的适用于低功耗产品中。


 

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