無線物聯網和可穿戴電子產品依賴能夠提供更長電池壽命的低功耗設計。然而，緊張的電量預算會造成無法滿足人們對更多功能的需求，并因此可能迫使開發人員轉而采用大電池和重復充電設計，而這對用戶來說也可能造成新的困擾。為此，我們需要一個能夠更周到地進行計算處理和電源管理的解決方案。

這些解決方案必須幫助設計人員滿足日益苛刻的用戶期望。例如，用戶希望智能產品與傳統版本一樣可靠且值得信賴。大多數用戶希望他們的智能鎖不要因電量耗盡而鎖不上門，同時還希望智能產品具有與其前代產品相似的外觀。例如，用戶在選擇智能手表時，可能不會考慮比現有手腕可穿戴設備更大或更笨重的產品。

重要的是，用戶希望智能設備會帶來一定的價值回報，讓購買、安裝和使用物有所值。最終，用戶希望智能產品能夠提供一種隱形智能，既為用戶提供一些有價值的服務，同時保持與所替代傳統產品同樣的交互方式和外觀。

所有這些期望都對產品功能、外形尺寸和功耗造成一定壓力。由于功能要求，通常情況下，MCU 和支持性電源管理功能不符合功耗預算的情況最嚴重。

但是，開發人員可以采用高級 MCU 和 PMIC，在滿足更嚴苛的功耗和性能要求的同時，不會影響設計尺寸和可用性。

設計挑戰

對于工程師而言，構建帶隱形智能的智能設計突顯了功率要求和功率可獲得性之間的沖突。為了提供有競爭力的產品，工程師發現他們不僅要構建更多功能豐富的嵌入式系統，集成更多傳感器，還要執行更復雜的算法。同時，這些系統需要依靠電池電量，還要保持盡可能最小的封裝。通常，物聯網設備和可穿戴設備中的可用鈕扣電池的容量限制在幾十或幾百毫安小時，同時不會在物理上限制物聯網設備或可穿戴設備本身。即便如此，用戶仍希望在與傳統替代品一致的設計中，電池續航時間能達到數天。

要滿足這些多樣化的要求，必須在不影響功能的情況下，使用能夠最大限度地降低功耗的設備。事實上，智能產品設計的功耗/性能特點密切反映了這些設計核心 MCU 的功能。然而，特定 MCU 的適用性很少能通過一些規格書的規格要求來衡量。雖然業界多年來一直關注電流消耗，但 MCU 的電流規格以 μA/MHz 表示只能說明部分情況。其實際功耗是最有說服力的參數，因此低 μA/MHz 和供電電壓的組合成為實際應用的關鍵指標。

最終，即使最接近的 MCU 規格檢查也必須讓步于每個應用的特定要求。例如，在僅需要間歇性更新傳感器測量值的應用中，因此減少了 MCU 占空比，因此有功功率甚至可能不是最重要的規格。減少占空比意味著并不是連續工作在有功模式下，而是 MCU 更多時間處于較低功率的休眠狀態。因此，休眠狀態功耗、喚醒時間和 SRAM 保持功率上升為關鍵參數。同時也會考慮 MCU 特性，例如集成在這些 MCU 中的大存儲器陣列和多個外設。

除了支持越來越大的軟件庫之外，更大的集成存儲器實際上有助于減少與外部設備的片外訪問相關的功耗和性能延遲。同時，開發人員可利用 MCU 的電源管理特性和數據保持功能，在處理器內核本身處于休眠狀態時，優化電源和保持狀態。

高級 MCU 中的電源管理功能在降低外設選件功耗方面具有顯著優勢。這些 MCU 中內置的先進電源管理器可以選擇性地啟用或禁用外設，甚至允許以“休眠運行”方式實現對 MCU 中外設的持續操作。這里意指，即使 MCU 處于節能休眠狀態，也可以進行涉及外設的操作。

過去，開發人員經常發現他們必須在影響功耗和功能的各種因素之間作權衡。相比之下，Maxim Integrated Darwin MCU 系列就提供了這些所需的功能，可應對可穿戴設備和其他低功耗設計不斷增長的挑戰。

平衡功率和性能

Darwin MCU 系列專為滿足物聯網設計要求而設計，由一系列器件構成，包括 Maxim MAX32620、MAX32625 和 MAX32630。Darwin MCU 圍繞帶有浮點單元的 Arm? Cortex?-M4 構建，共用一個結合了各種外設、時鐘、實時時鐘 (RTC)、看門狗定時器等器件在內的硬件基礎。

各個 Darwin MCU 不同之處在于，提供的片上閃存和 SRAM 選擇不同。MAX32620 和 MAX32630 集成了 2 MB 閃存，而 MAX32625 則提供 512 KB 閃存。開發人員還可以找到一系列支持的片上 SRAM，MAX32630 為 512 KB，MAX32620 為 256 KB，MAX32625 為 160 KB。

這些器件還具有在完全活動模式下消耗最小電流的共同能力：102 μA/MHz (MAX32620)、106 μA/MHz (MAX32625) 和 106 μA/MHz (MAX32630)。如前所述，功率是關鍵規格，這些器件的工作電壓就較低，內核為 1.2 伏，I/O 為 1.8 至 3.3 伏。因此，完全活動模式下的功耗仍然很低。它們提供了許多機制支持低電壓操作，允許開發人員進行優化，以在其應用中實現低功耗。

因為最大限度降低功耗的能力對電池供電設備的長期運行至關重要。對于大多數應用來說，這意味著在不犧牲響應時間的情況下，最大限度地降低占空比。對于開發人員來說，這些相互沖突的要求可利用 Darwin MCU 低功耗模式找到解決方案。

該 MCU 的 LP0 最低功耗狀態使設備處于靜態模式，這時會禁用所有設備電路，但與電源定序器、上電復位、供電電壓監視器、RTC（如啟用）和數據保持寄存器相關的電路除外。LP1 則提供功耗極低的待機模式，在保持 SRAM 和寄存器供電的同時，使 CPU 處于休眠模式。在 LP0 和 LP1 兩種模式下，CPU 內核本身一直會處于靜態，直至中斷導致其上電。

第三種功耗模式是 LP2，會讓內核保持休眠狀態，但如下所述，該模式提供了一種操作 MCU 外設的重要機制。最后一種模式是 LP3，即正常運行狀態，此時處理器和外設獲得供電，并以選定的時鐘速率運行。

與 LP3 相比，LP2 可大幅降低功耗（圖 1）。通過將時鐘從標稱的 96 MHz 速率降到 4 MHz，設計人員可以實現更高的節能效果（參見圖 1，右圖）。最重要的是，此類功耗降低可以在不損失關鍵外設功能的情況下實現，如下文詳述。

圖 1：Darwin MCU 電源生態系統允許開發人員在從完全活動的 LP3 模式轉換到 LP2 模式時顯著降低功耗，并通過將時鐘速率從標稱的 96 MHz（左）降低到 4 MHz（右）而進一步節省功率。（圖片來源：Maxim Integrated）

在內部，Darwin MCU 的不同功耗模式依賴于一組復雜的功能元件。例如，在 LP0 和 LP1 期間，電源定序器可有效控制 MCU。同時，片上定時器、設備外設、GPIO 引腳甚或設備的內置供電電壓監視器的中斷都可觸發系統重啟（或在供電電壓失效時重置設備）。但是，盡管存在這種潛在的復雜性，開發人員仍會發現一個簡單功耗模式工作模型。

在典型應用中，開發人員可以通過編程將 MCU 置于低功耗模式，直到發生 RTC 超時或中斷（圖 2）。

圖 2：LP2 的外設管理單元 (PMU) 的功耗節省方式是：通過在外設和存儲器之間移動數據以及執行其他功能時，讓 MCU 進入休眠狀態。（圖片來源：Maxim Integrated）

雖然開發人員可以使用 LP0 和 LP1 模式來實現最低功耗狀態，但 LP2 可在 CPU 內核仍處于休眠模式時，在支持外設功能方面提供極大的靈活性。此功能的關鍵在于設備的外設管理單元 (PMU)。

外設管理

Darwin MCU PMU 本身就是一個智能控制子系統。這種基于直接存儲器訪問 (DMA) 的單元提供跨六個獨立通道的輪詢調度能力，允許獨立于 CPU 進行多個外設操作。利用其 DMA 功能，PMU 可以在外設和存儲器之間移動數據，甚至可以同步脈沖串信號、模擬測量值和其他事件。在 LP2 中（也稱為 PMU 模式），PMU 在內核保持休眠狀態的同時，使用其狀態機有效控制設備支持外設操作。

通過設置適當的寄存器，開發人員可實現功能和功耗之間更精細的平衡控制。實際上，開發人員可以對 LP3 中的外設操作進行相同的控制。雖然 PMU 以 LP2 模式使用時能夠實現低功耗操作，但它以 LP3 模式使用時，能夠讓外設處理原本會增加處理器負擔的操作，從而減少處理器負載。在這兩種情況下，開發人員都可以通過編程方式啟用或禁用設備上的單個塊（圖 3）。

圖 3：PMU 可用于啟用或禁用設備上的單個塊，以便在運行時節省功率。（圖片來源：Maxim Integrated）

開發人員可以使用三個 32 位寄存器 CLKMAN_CLK_GATE_CTRLn（n = 0、1、2）對塊激活進行編程，這些寄存器可提供對單個功能塊的精細控制，從而控制整體功耗。實際上，開發人員可以選擇自己實現這種控制，或依靠 MCU 的動態時鐘選通電路自動啟用或禁用外設來實現此控制。

例如，Darwin MCU 架構專門采用一個 SPI 主控制器，在芯片內執行 (XIP) 操作期間作為外部閃存和 CPU 之間的接口。只要 SPI XIP (SPIX) 操作處于非活動狀態，MCU 的動態時鐘選通機制就會自動禁用 SPIX 外設。開發人員可以使用 CLKMAN_CLK_GATE_CTRL0 寄存器中的位 21:20 來控制此行為，將位 21 設置為“1”以強制 SPIX 時鐘始終保持活動狀態，將位 20 設置為“1”以啟用動態時鐘選通，或將兩者都設置為“0”以完全強制禁用 SPIX 時鐘。

對于諸如片上模數轉換器 (ADC) 之類的模塊，開發人員還可以明確地控制外設的供電。例如，要使用 ADC，開發人員首先通過將 CLKMAN_CLK_GATE_CTRL2 中的位 12 設置為“1”來啟用 ADC 的時鐘選通，設置各個位以啟用接口，然后通過設置 ADC_CTRL 寄存器中的位 1 來為 ADC 上電。這種獨立運行 ADC 的能力在 LP2（PMU 模式）模式下特別有效。由于處理器內核在 LP2 模式下處于休眠模式，因此本底噪聲處于最低水平，使開發人員能夠執行敏感的模擬信號采集。

另一項 ADC 特性是使開發人員能夠將 CPU 占空比降至最低。開發人員可以通過編程方式設置 ADC 采樣的上限和下限，僅在采樣超出所需窗口值時生成喚醒 CPU 的中斷。開發人員可以使用此功能將 CPU 保持在節電休眠模式，直到采樣的傳感器數據發生重大變化，而不是通過周期性地喚醒 CPU 來輪詢傳感器有關測量樣本中的重大變化。

對于數據采集，ADC 支持四個外部模擬輸入多路復用到其內部 10 位三角積分轉換器。對于其中兩個輸入通道，分壓器允許開發人員將輸入信號按比例縮小五倍。

不過，開發人員經常需要通過外部信號調節來放大或單純緩沖模擬信號。在這種情況下，設計人員可以通過利用 Maxim Integrated 的 nanoPower 系列低功耗模擬器件來保持低功耗運行。例如，Maxim MAX40007 nanoPower 運算放大器具有 110 dB 大信號電壓增益（3 伏 VDD），但功耗僅為 700 納安 (nA)（典型值）。該運算放大器能夠驅動高達 20 皮法 (pF) 的容性負載。相比之下，Darwin ADC 的對地電容僅為 1 pF，其動態開關電容為 250 納法 (nF)。

像 MAX40007 這樣的 nanoPower 器件在基于 Darwin MCU 的設計中特別有效。開發人員可以用為 MCU 供電的相同 1.8 伏或 3.3 伏電源軌來為這些元件供電。但在過去，由于支持這些多電源軌，使得它們無法滿足低功耗和最小設計封裝的要求。隨著多輸出 PMIC 的推出，設計人員可以輕松支持多電源軌器件，而不會影響總體要求。

電源管理

對于電池供電型設計，那些用于提供供電電壓的傳統技術可能并不足夠。例如，在將單節鋰離子電池的標稱 3.6 伏輸出轉換為當前低壓 MCU 所需的較低電平時，通常用于提供不同電壓軌的線性穩壓器會浪費大量電能。支持多個獨立供電電平的需求只會加劇對功耗、零件數量和復雜性的影響。相比之下，Maxim Integrated 的 MAX77650 為多電壓軌電池供電設計提供了完整的電源管理解決方案。

MAX77650 的電源管理架構結合了單電感器、多輸出 (SIMO) 降壓升壓穩壓器與低壓差 (LDO) 穩壓器（圖 4）。Maxim Integrated 提供了可利用多個 GPIO 擴展此架構的選項，以及一個可編程為 250 至 425 毫安 (mA) 的電流阱驅動器，以支持專用便攜式設計中使用的紅外 LED 等設備。

圖 4：MAX77650 中使用的這個單電感器多路輸出 (SIMO) 降壓升壓穩壓器僅需一個電感器，即可選通到各個輸出引腳的輸出（見圖上部）。選通一個后按順序為下一個輸出增加電感器電荷（見圖下部）。（圖片來源：Maxim Integrated）

作為 PMIC 架構的核心，SIMO 穩壓器采用選通機制，只需一個外部電感器即可提供 Darwin MCU 和其他器件所需的多個電源軌。在 SIMO 穩壓器中，控制電路通過單獨選通的輸出對單個電感器放電（見圖 4 上部）。在操作中，SIMO 穩壓器按順序為每個輸出增加電感器上的電荷（見圖 4 下部），從而實現對每個輸出的可編程控制。

估算電池電量

為了將隱形智能構建到電池供電產品中，設計的最后一步有關電池本身。在這些設計中，準確估算剩余電池容量對于避免意外斷電至關重要，因為意外斷電可能直接導致用戶忽略產品的其它優勢，對整個產品不滿。

雖然 MAX77650 等 PMIC 負責充電過程，但智能產品需要對電量進行可靠的估算，以便在電池需要充電或更換時通知用戶。傳統的電量計設備長期以來一直扮演著這個角色，但它們的低精度和高功耗通常無法滿足期望。

更先進的電量計 IC 如 Maxim Integrated MAX17048 和MAX17055，為開發人員提供了極大的靈活性，既可以滿足功耗和復雜性方面的設計目標，同時不會影響準確預測電池充電狀態 (SOC)。

過去，主要的 SOC 測量方法依賴開路電壓 (OCV) 測量或庫侖計數。單獨使用時，每種方法都各有顯著的取舍之處。OCV 測量受電池電流的顯著影響；庫侖計數在短期內可提供良好的精度，但其精度會隨著時間的推移而降低。每種方法在設計層面也有不同的折衷之處。OCV 測量需要一定量的電池表征來建立補償表；庫侖計數需要額外的電阻器來測量流入和流出電池的電流。

Maxim 的電量計 IC 在這兩種方法上均有所改進。MAX17048 執行 Maxim 的 ModelGauge 算法，通過估算方法擴展了 OCV 技術。與其他基于 OCV 的方法一樣，MAX17048 無需額外的電流檢測電阻。雖然該器件包括預裝電池模型，但開發人員可能需要執行電池表征以獲得最佳精度。不過，該器件特別適用于功耗預算非常緊張的設計。正常操作期間，其在低功耗“休眠”模式下僅消耗 3μA 電流。在這一模式下，該器件繼續提供準確的 SOC 估算，但更新速率減緩到每 45 秒更新一次，而相比之下活動模式中為每 250 毫秒 (ms) 更新一次。

與任何基于 OCV 的方法一樣，對 SOC 的估算仍然受到負載瞬變和其他因素的影響。通過 MAX17055，Maxim Integrated 提供了 ModelGauge m5 算法，該算法使用 OCV 方法校正了庫侖計數的長期漂移（圖 5）。

圖 5：諸如 Maxim MAX17055 之類先進電量計 IC 結合了開路電壓 (OCV) 和庫侖計數法，可在電池的整個生命周期內提供非常精確的結果。（圖片來源：Maxim Integrated）

MAX17055 采用這種方法，并借助一個外部 Rsense 電阻器和一些電容器，提供了一種非常精確的電量計（圖 6）。與 MAX17048 一樣，該器件提供休眠模式，可將功耗降至 7 μA 而不會損失功能。在此情況下，休眠模式每隔 5.625 秒執行一次更新，而不是像完全活動模式那樣每隔 175.8 毫秒執行一次更新。

圖 6：開發人員可以使用 Maxim MAX17055、一個外部檢測電阻和一些電容器來實現非常精確的電池電量計功能。（圖片來源：Maxim Integrated）

另一款 ModelGauge m5 電量計選擇集成了 Rsense 電阻器，且對封裝的影響很小，具體尺寸為 2.132 mm2，相比之下采用類似 9 引腳晶圓級封裝 (WLP) 的 MAX17055 則為 2.115 mm2。Rsense 集成選擇在提供相同的 5.6 秒更新速率的同時，使休眠工作模式下的電流消耗降至僅 5.2 μA。

盡管需要外部 Rsense 元件，但 MAX17055 電量計 IC 與 MAX77650 PMIC 及其單個電感器相結合，可提供節省空間的設計（圖 7）。Maxim Integrated 在其基于 MAX32620 的 MAX32620FTHR 開發板中，將此組合用作電源子系統設計。

圖 7：Maxim MAX77650 PMIC 和 MAX17055 電量計 IC 結合使用后，可提供一個復雜的電源子系統，其設計簡單，只需要 PMIC 的單電感器 (L1)、一個電量計 Rsense 電阻 (R14)、一個Murata Electronics NCP15XH103F03RC NTC 熱敏電阻、電阻器和電容器。（圖片來源：Maxim Integrated）

除了 MCU、PMIC 和電量計器件，該電路板僅需要 PMIC 的單電感器 (L1)、一個電量計 Rsense 電阻器 (R14)、一個 Murata Electronics NCP15XH103F03RC NTC 熱敏電阻、電阻器和電容器。如此即可在一個僅為 0.9 英寸 x 2.0 英寸的封裝中，提供兩個 12 針插座連接器、兩個 RGB LED 和兩個按鈕。開發人員可以通過其 micro USB 連接器或通過 2 mm 連接器連接電池，為電路板供電。

總結

為滿足用戶對智能產品的期望，電池供電型設備需要在外觀和可用性方面與更多傳統產品保持嚴格匹配。對于設計人員來說，若要滿足這些限制，意味著要在不犧牲構建更智能產品所需性能的情況下，最大限度地降低功耗和設計尺寸。

開發人員可以使用 Maxim Integrated 的 Darwin MCU、SIMO PMIC 和高級電量計 IC 應對這些經常相互沖突的設計要求，以用戶熟悉的外形和功能來實現這些復雜的能力。