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低功耗MCU的需求原因与应用

时间:2011-07-05 09:15:58

一般家庭中的电子产品包括各式各样的大家电、小家电及各种电子信息产品,以前很少有低功耗MCU的需求。这是因为家电是通过插座提供的110V或220V交流电供电的,除了停电之外,插座交流电能够稳定地提供给家电所需的电流,且家庭中较耗电的电器用品通常是马达驱动、压缩机启动、加热器加热、灯具启动等,所以在早期的家电产品中几乎没有MCU在里面。后来随着智能家电产品开始流行,MCU渐渐地被集成到家电产品的电子电路中,并增加了许多功能。

在智能家电产品通电后,MCU就开始启动,由于MCU所消耗的电流只占整个家电产品消耗功率的很小一部分,所以通常对其工作电流大小不作要求,只要产品可以正常工作即可。一直到最近几年,由于人们日益重视环保,市场上开始关注节能低碳的电子产品,对家电及电子产品的低耗能也提高了要求,因此低功耗MCU在家庭的各种电器产品上开始占据重要地位。

低功耗MCU的需求原因

在电子产品上需要低功耗MCU的原因大部分出自环保的考虑:一方面,地球温室效应造成的问题需要大家通过节约能源来解决;另一方面,大量的电池若没有按正常渠道回收可能会造成土地和水资源污染。具体来说,低功耗MCU的需求可以归纳为以下几种情况。

1. 一般家电电源来自电源插头,当插头插在插座上,即使家电没有启用也会消耗一些功率,通常来说这些消耗的功率越少越好。

2. 家电若具有时钟功能,则当插头离开插座后,时钟所需的电源需靠内部电池提供,因此电池必须能够维持较长时间。

3. 具有遥控功能的电器需维持较低的待机电流。

4. 使用电池供电的电器用品其电池使用寿命要越长越好。

5. 使用太阳能电池来代替使用一般电池的电子产品。

通过以上五点可详细地说明低功耗MCU在家电上的应用。就第一点来说,目前许多家电插头一直插在插座上,这样即使没有使用也会消耗部分电流,所以环保人士才会极力倡导电器在没有使用的时候把插头拔掉。但是人们难免有时候会忘记拔掉插头,此时便可以使用低功耗MCU来降低待机电流。

为了让待机电流降低,MCU需将系统频率切换为低速模式,如图1,当系统频率切换为fL时,MCU内部会将高速振荡器电路关掉,以节省其耗电电流。除此之外,整个MCU执行指令的耗电电流因系统频率切换为fL的缘故也会大幅降低,两者的耗电比例最大可以相差100倍(2毫安与20微安的差异)(注:图中高频系统振荡器有3种选择,低频系统振荡器有2种选择,一般高频的系统振荡器约在0.4MHz以上,低频系统振荡器约32kHz)。

另一个大幅降低待机电流的方式是MCU进入IDLE模式。在此模式下,MCU已经不执行程序,仅启动部分计时功能,MCU每隔一段时间会因定时器溢位而被唤醒。在IDLE模式里,中断及唤醒功能仍然有效,当然也可通过外部按键的方式唤醒MCU,使其离开省电模式重新回到一般工作模式。

就第二点来说,一般家庭的各种电器用品都可能具有时钟功能,尤其是厨房内的家电,例如电子锅、电饭锅、微波炉、烤箱、烘碗机、豆浆机、果菜机等等。以电子锅为例,平常插头插在插座上时,MCU的电源来自电力公司的交流电,并对电子锅内部时钟的充电电池充电;当插头拔掉时,电子锅还要继续计时,此时就靠电池提供电源给MCU内部的计时电路。如果在下次插头重新插入之前电池耗尽,时钟就会不准且无法继续计时,而且充电电池也可能因为过度放电而很快损耗掉。

为了提供一个省电的时钟功能,MCU必须具有一个省电的32,768Hz晶体振荡器电路(LXT),且在MCU进入IDLE模式时,该振荡器电路还能继续工作,时钟也可以继续计时,LCD可以继续运行,以显示目前的时间,这些功能加起来的耗电流必须要足够低才可以让电池供电,并维持更久的时间。图2显示了选用LXT作为计时来源时,最长可以每秒产生1次计时中断。

至于第三点,许多家电、音响、电视都会有遥控器接收电路,以方便使用该电器的各种选项及设定功能。当这些电器关闭时,并不是完全关闭电源,遥控器的接收电路还在继续工作,除非把插头拔掉,否则待机电流一直存在,这也会造成能源的浪费。若是能把此时的耗电降至最低,对节能省电也有不小的帮助,接收遥控器电路的MCU如果本身使用低功耗MCU就是降低此时待机电流的好方法。

为了能够随时侦测到遥控器发射的红外线载波信号,红外线的接收电路必须永远保持工作状态,为此基本的耗电是免不了的,节能的可行方法是将MCU的系统频率降低,让MCU运行在可以接受红外线遥控器信号的最低工作频率,从而节省其工作时的耗电。

MCU的系统频率可以在fH、fH/2、fH/4、fH/8、fH/16、fH/32、fH/64、fL等8种频率中进行选择,所以MCU可以根据本身的工作内容需求,选择适合当时工作的系统频率,从而完成良好的电源管理。

在电压5V、系统频率12MHz时,MCU的工作电流约3mA;但是当系统频率选择fH/2,也就是6MHz时,工作电流降至2.2mA,约减少27%;当系统频率选择fH/4,也就是3MHz时,工作电流约降至1.5mA,比工作在12MHz时约减少50%。

家用电器的省电设计构思

第四点意味着对使用电池的产品而言,在符合成本的原则下,应选择消耗功率最小的MCU,因为电池废弃物的处理对环境影响很大,且电池内部的重金属会污染水资源及土地。比如家庭中厨房秤、遥控器以及某些具有时钟功能的小家电都会使用到电池,若是使用低功耗MCU,则可以减少电池用量,从而减少环境污染。减少电池用量可以从降低MCU的工作电流做起,同样功能的MCU,若是选择消耗电流减少一半的,则电池使用寿命将增加一倍,这样不仅减少购买电池的费用,也减少了电池的使用量。

第五点中提到使用太阳能电池,这可更进一部减少电池的用量,对环境保护将发挥最大的效果。我们常看到一些电子计算器使用太阳能来供电,如果低功耗MCU工作的电流及电压都大幅降低,则也有机会使用太阳能电池。在功耗需求较低的产品上,如温度计、湿度计、体温计、电子表、LCD显示电子钟等,使用小瓦数的太阳能电池就足够应付MCU所消耗的电流。太阳能是最环保的能源,只要有太阳,产品就可以工作,不需担心电池耗尽问题,也不需更换电池,因而也不会造成环境污染。

对第四点及第五点来说,使用可以工作在1.5V的MCU是最佳的解决方法,因为1.5V MCU除了可以使用1颗电池供电外,其本身所消耗的电流也可以降至最低。但因为1.5V MCU技术难度较高,市面上并不多见。盛群半导体提供的HT46R01M、HT46R02M、HT48R01M、HT48R02M MCU就是工作电压为1.5V的MCU。

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