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節能微控制器設計使鋰電池壽命長達20年

鉅大LARGE  |  點擊量:702次  |  2021年05月12日  

在設計電池供電產品時,人們顯然希望電池壽命盡可能長些。作為一個快速發展的設備種類,從單電池發展起來的應用不僅僅停留在規格上,而是以整個產品的概念為中心。能源敏感的產品應用大致分為能源計量系統、家庭與樓宇自動化、安全和醫療系統。這些產品通常會圍繞一個微控制器(MCU),必須用單一的原電池運作很長時間。在某些應用中,要想更換電池是很難的甚至不可能的,在其它應用中,最終用戶不愿意支付更換電池的成本。


在這樣的應用中采用的是占空比非常低的很活躍的微處理器,在深度睡眠狀態下時間可能占了99%甚至更高,達到99.9%也不罕見。微處理器在一個周期循環或在回應某些刺激時被喚醒,執行操作,并返回到睡眠狀態中。由于較長時間處于睡眠狀態,很明顯,獲得最長電池壽命的關鍵參數是在掉電狀態下的電流消耗。不過,同一節電池的使用壽命為三四年或超過十年、二十年,甚至更長時間的差別在于要密切注意這個任務如何使用MCU資源的每個方面,以及MCU本身是如何以各種方式減少能源消耗的。


一節單電池用20年


CR2032紐扣電池廣泛用于小型MCU如遠程環境傳感器中,這是一種鋰/二氧化錳3V原電池。典型的供應商,如柯達,評定230mAh到2V的終點電壓能力為5.6k(約為0.5mA)。假如是那樣的話,電池壽命將為400小時,相比之下,能源敏感的應用能使使用壽命達到20萬小時。這種特殊的電池具有很好的貨架壽命或自放電率,數據表顯示10年之后其容量達90%。非常相似的是,這相當于持續充電約0.25A,假如能夠達到10~20年的電池壽命,應用的一般要求就會滿足。


伴隨電池壽命的是數量有限的電荷,設計者必須在MCU運行的所有階段減少產品的電流和時間,不僅要減少每微安的數量,也要減少每個動作的每個微秒。

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符合Exic IIB T4 Gc防爆標準

充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

為了減少深度睡眠模式下消耗的電流,在能源敏感應用的MCU中采用8位(或16位)內核已很普遍。其理由是,8位內核很小,門控相對較少,靜電或泄露電流低。但是,許多現在的應用都要比8位內核更大的處理功率。在其它MCU應用領域,用戶往往選擇從8位升級到32位環境。在低功耗的情況下,人們一直假定32位內核在其掉電模式狀態時使用的電流一定是高得令人無法接受的。隨著全套低功耗設計技術的出現,今天的IC設計師們已經可能讓一個32位ARM內核供應不同的低功耗模式了,與其8位的競爭對手相同好,甚至更好,而且還能實現快速喚醒。32位處理器更高的處理性能也使MCU可以更快完成任務,從而能夠在這些低功耗模式中花更多時間來進一步降低平均功耗。


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