設計人員通常通過減少活動處理時間和增加微控制器 （MCU） 在睡眠模式下的停留時間來優化設備功耗。然而，隨著超低功耗應用的興起，這種方法已不再適用。

對于電動牙刷、個人媒體播放器、遙控器、無線傳感器以及各種其他便攜式和手持設備等設備，需要在系統的各個級別實施電源管理。通過高效的單節電壓轉換優化功耗、利用多種電流模式、引入智能電池管理以及在應用層實施節能技術，可以在整個系統中協調功耗。

高效的電壓轉換

許多超低功耗應用正在轉向單電池架構，以降低設備成本、尺寸和重量。減少對單個電池的供電是一個有吸引力的選擇，因為它簡化了電池座的機械結構并導致產品更小更輕。

充滿電時，單個電池的電壓通常在 1.2 V 至 1.5 V 之間，但電池可降至 1 V 以下，同時仍擁有大量可用能量。從單個電池驅動電機、LED 甚至微控制器本身都需要一個穩壓器來將可用電壓提升到適當的水平。

ATtiny43U 具有一個集成穩壓器，可以將電壓提升至 0.7 V（參見圖 1），從而允許在電池電量接近尾聲時繼續放電。該集成穩壓器提供 1 微安（典型值）空閑電流，一旦有足夠電壓即可自動啟動，并支持任何電池技術，使開發人員能夠使用 1.6 V 堿性或氧化銀、1.5 V 鋰離子、1.4 V 鋅-air，以及 1.2 V NiMH 和 NiCd 等。

圖 1： ATtiny43U 在低至 0.7 V 的電壓下工作。

升壓和低電流模式

無需外部驅動電路的高電流容量對于許多應用也很重要。ATtiny43U 的升壓穩壓器可驅動高達 30 mA 的電流，可直接控制高亮度 LED 和小型電機。圖 2 顯示了 ATtiny43U 在特定負載電流下基于剩余電量的轉換效率。

圖 2：負載電流的升壓效率取決于輸入電壓。

如圖 2 所示，大電流運行的效率低于以較低電流運行時的效率，但大多數高電流應用不需要連續在高電流模式下運行。如果架構被鎖定在高電流模式，那么這些設備將以較低的效率運行，即使設備只需要低電流消耗。

為了保持效率，MCU 必須能夠支持多種操作模式。當設備需要高電流和嚴格調節的 Vcc 時，MCU 和調節器將在調節模式下運行。當電機或其他外圍設備未使用，且負載電流降至 0.6 mA 以下時，穩壓器會自動切換到低電流模式，執行更高效的電源轉換。

此外，在輕載或空載時，穩壓模式下的轉換器將周期性地達到其占空比下限。通過自動進入低電流模式，轉換器停止開關并將電流消耗降至最低，同時仍保持工作狀態（參見圖 3）。

圖 3：轉換器在穩壓模式下周期性地達到其占空比下限，并在低電流模式下削減電流消耗。

在主工作模式，主動穩壓模式下，輸出電壓保持穩定在 3 V ±100 mV 范圍內。另請注意，隨著電池中的能量耗盡，典型的轉換電壓會發生變化（參見圖 4）。

圖 4：當電池中的能量耗盡時，操作模式之間的轉換級別會發生變化。

智能電池管理

可充電電池需要在設定的限度內進行仔細監控和充電控制，以確保安全使用和最佳使用壽命。不同的電池化學成分具有不同的電壓閾值，它們可以安全地充電和放電。

ATtiny43U 的固件可以使用內置的模數轉換器 （ADC） 監控電池電壓，并決定何時將自身置于停止模式，從而徹底耗盡一次性電池的電量，同時確保可充電電池在多個充電周期內的最長使用壽命。

雖然自動關閉 MCU 可以保護可充電電池，但從應用的角度來看，突然斷電可能是不可接受的。例如，突然關閉相機會使鏡頭暴露在外且易受攻擊。使用 ADC 定期測量電池電壓使應用程序有機會在關機前將設備置于安全配置中。

更多省電技術

許多應用程序添加一個 MCU 作為輔助處理器來輔助主應用程序處理器，卸載更新顯示器、監控鍵盤、操作小型電機和智能管理智能電池等任務。以這種方式使用 MCU 可使應用處理器不間斷地休眠更長時間，從而顯著節省電力。

超低功耗 MCU 還需要多種睡眠模式。例如，傳感器應用程序可以監控溫度，直到它超過閾值。在監控期間保持整個 MCU 處于活動模式會消耗比實際需要更多的功率。支持不同的睡眠模式，允許開發人員關閉設備的不同部分，從而實現更好的節能（參見表 1）。

表 1：典型的操作模式為開發人員提供了不同的電流消耗選項。

ATtiny43U 架構中的許多其他創新提高了活動和睡眠模式下的電源效率：

低功耗掉電檢測

雖然零功率掉電檢測器不消耗功率，但它們的響應速度也很慢，并且可能需要整整毫秒來檢測低于閾值的電壓，從而使 MCU 處于危險之中。或者，休眠的掉電檢測器可以在 2 微秒內識別掉電情況，而僅消耗 20 微安電流。

數字輸入禁用寄存器

將輸入多路復用到 ADC 等外設有助于低引腳數設備，但當施加 Vcc/2 范圍內的電壓時，構成輸入緩沖器的晶體管將出現電流泄漏。使用每個模擬輸入一個禁用位的專用輸入禁用寄存器使開發人員能夠禁用單個輸入緩沖器以防止泄漏。

功率降低寄存器

雖然多種睡眠模式簡化了電源管理，但它們通常會打開或關閉整個外設模塊。功耗降低寄存器使開發人員可以完全控制關閉各個外圍模塊。禁用一個外圍模塊可以在活動模式下降低 5-10% 的總功耗，在空閑模式下降低 10-20%。

閃光采樣

傳統閃存設計為在活動模式下始終啟用。然而，在較低的時鐘速度下，閃存讀取時間將小于時鐘周期。閃存采樣使閃存能夠以大約 10 ns 的時間對陣列的內容進行采樣，然后立即將其禁用，從而降低平均功耗。

看到差異

開發套件提供了一種在實際操作條件下測試 MCU 效率的有效方法。ATtinyx3U 頂部模塊連接到 ATSTK600 開發板。使用該套件，開發人員可以測試單節電池操作的極限，在直接驅動高亮度 LED 的同時分析功耗，并驅動集成升壓穩壓器的自動關機和開機功能來調整功率閾值，以利用最大容量安全參數內的細胞。

MCU 集成了片上穩壓器和可配置模式，有效地縮小了 MCU 的最小電源電壓與標準單節電池技術的典型輸出電壓之間的差距，使開發人員能夠根據可用的負載條件和電池電壓最大限度地降低功耗。只需一節電池，無需外部穩壓器，能夠將電池電量降至 0.7 V，并為 LED 和小型電機提供高電流容量，設計人員可以構建真正超低功耗的緊湊、經濟高效的電池供電設備。

審核編輯：郭婷