微控制器功耗管理模式：降低功耗的方式

geren2014

便携式医疗设备的设计人员正面临着一些独特的挑战。医疗照护领域对电子产品的审查控管相当严格，尤其在产品设计的寿命、使用周期、还有使用上的稳定性，皆有高规格的要求。此外，电子设备的设计用途，一旦与医疗设备相关时，就产生了非常重大的意义。

举例来说，低功耗为所有设计人员共同的追求目标，低功耗意味电池可以变得更小、更轻，藉以提高产品的可移植性；对于医疗设备来说，可移植性的提高改善患者的生活质量，且患者的生命更需直接仰赖电池的寿命。

在本文中，我们将说明设计人员如何利用微控制器（MCU）进行设计、并符合医疗设备的低功耗要求。

电压和电池寿命
在低功耗应用中，微控制器的静态功耗是很重要的选择指标；一些具备高阶处理技术的微控制器在休眠模式下消耗的电流可低于 50 nA。为了适用于各种低功耗设计，微控制器必须能在广泛的电源范围下运作。例如，在使用碱性电池时，通常指定 1.8 V 的工作电压，因为应用中通常使用两颗终止电压（end voltage）皆为 0.9V 的碱性电池。选择可在广泛电压范围下运作的微控制器，便可以延长便携式设备的使用年限。除了微控制器的工作电压范围表 1：利用图 1 中列出的部件及其表定的电流消耗值可得出医疗数据记录器的电源预估值以外，设计人员也必须考虑整个系统的工作电压范围，包括微控制器内部的外围。如果系统中的外围非常耗电，那么光降低微控制器的功耗对系统总功耗则几乎没有什么影响。

图 1：在该医疗数据记录器的应用中，微控制器的 I/O 接脚可以用于对 EEPROM 和传感器供电

表 1：利用图 1 中列出的部件及其表定的电流消耗值可得出医疗数据记录器的电源预估值


降低功耗的方法
外围电源切换
针对便携式嵌入式系统的功耗管理原则是让微控制器能够控制内部和外部外围的功耗。设计便携式医疗设备时，请先确定必需的工作模式或状态，然后对设计进行分解，以便剔除不需要的电路。从众多不同的供货商中选择合适的微控制器可以帮助您省去多余的外部组件并降低成本。如前所述，可在广泛电压范围下工作的微控制器将使您的系统设计变得更加弹性。

试着以一个包含微控制器，用来纪录数据的医疗监视器为例，说明如何最大程度地降低整个系统的功耗：这个监视器包含了传感器、EEPROM 和电池（见图 1）。在实际应用中，传感器可以执行温度、血氧浓度（oxygen saturatiON）、血压、血糖浓度和许多项目的测量。该医疗设备将在几个小时、或者更长的时间内，持续监测病人的相关指数。在该范例中，微控制器每隔 2 秒读取传感器测得的数据并进行换算、再将数据储存到外部 EEPROM 中，然后等待传感器输出下一个读数。如果不需要考虑功耗，当然可以一直对 EEPROM、传感器及其偏压电路（biascircuit）供电；然而，对便携式医疗设备而言，有效率地使用电源是非常重要的。因此，为了有效降低这类系统的功耗，设计人员往往在微控制器不需要这些外围时透过程控关闭它们。

如图 1 所示，设计人员可利用微控制器的 I/O 接脚和一些程序代码，在需要时对 EEPROM 和传感器供电。由于所选微控制器的 I/O 接脚最高可以提供 20mA 的电流，所以不需额外电源。

微控制器功耗管理模式
在嵌入式应用中常见的节省功耗方法为，当系统对微控制器的资源需求很低时，定时让微控制器进入休眠模式。在范例中，系统每隔 2 秒进行一次测量；如果实际上需要 11ms 进行测量和储存结果，则 MCU 可在两次测量之间休眠 1.989ms。微控制器休眠的时间越长，则平均功耗就越低。系统微控制器透过设定中断或由看门狗定时器负责唤醒；因此，确保适合的看门狗定时器相当重要。通常，若应用需要微控制器每隔一段固定时间处理一次数据采样，那么看门狗定时器应在所要求的时间周期内唤醒 MCU；因此，选择能和看门狗定时器周期配合的微控制器也很重要。

计算总平均功耗
设计人员透过电源预估技术（power budgeTIng）估算应用中可能的电流消耗和电池寿命。同样以图 1 为例，数据记录器不断经历各种模式诸如：休眠、传感器预热、检测、数据换算和储存。分析处理回路将协助设计人员确定单个周期中各种模式所占用的时间。然后，再藉助厂商提供的组件数据，更可了解各款组件的电流消耗状态。将各种模式下需要的总电流乘以该模式的持续时间，就可以得到该模式在每个周期中消耗的电荷量。

根据表 1 可知，数据记录器的应用，在每个周期约为 2000ms，需要的总电荷量为 18.8 e-6 安培*秒。根据表 1 的数据，可以推算出平均电流为 0.009mA，如下：

平均电流（mA）=总电荷量（安培*秒）/ 总时间（秒）=18.8 e-6/2000 e-3 = 0.009 mA 峰值电流=2.048 mA 结论：

透过 MCU 的选择，设计人员能成功的管理医疗电子设备、进而降低功耗；功耗的降低在使用产品时能有效减少热能产生，并且缩小电池尺寸，进而延长设备的使用年限、增加设备的可靠度、提高患者的配合度，并缩小整体设备的尺寸。