电池寿命

-超低功耗EFM32™微控制器为能耗敏感型无线设备设计提供安全、功能丰富的处理能力-

Silicon Labs扩展其广受欢迎的EFM32™ Tiny Gecko微控制器(MCU)系列产品,旨在满足开发人员进行下一代安全、电池供电型物联网(IoT)连接设备的设计需求。Silicon Labs新型EFM32TG11 Tiny Gecko MCU为需要长电池寿命的设备提供了低成本的超低功耗解决方案,且不会减弱功能和降低安全性。Tiny Gecko 11 MCU是智能电表、个人医疗设备和家庭自动化产品的理想选择,这些产品通常具有多个传感器、本地显示和触摸控制。新型MCU可在IoT设计中作为独立微控制器或搭配网络协处理器使用,这为开发人员提供了出色的设计灵活性。

Tiny Gecko 11 MCU优化设计旨在满足通过无线接入点、网关和集线器提供云连接的电池供电型应用。当在许多轻量级无线应用中搭配使用Silicon Labs无线收发器、SoC或模块时,Tiny Gecko 11 MCU能够同时管理应用程序和无线连接。当与诸如802.11 b/g/n Wi-Fi®等复杂协议一起使用时,Tiny Gecko 11可被分配去独立管理MCU应用,从而简化无线系统设计。Tiny Gecko 11 MCU包含充足的存储器、传感器接口、外设、通信链路和支持无线应用或者独立MCU应用的硬件加解密模块。

基于48 MHz运行速率的ARM® Cortex®-M0+处理器,Tiny Gecko 11 MCU提供足够的处理能力,同时保持极高的能效。这些MCU具有低运行电流(37μA/MHz)、快速唤醒、一系列睡眠模式(深度睡眠时为1.3μA)以及其他增强的功能和架构来满足安全、电池供电型IoT产品对于高性能和低功耗的设计需求。

Tiny Gecko 11 MCU集成了一系列可扩展应用潜能的功能特性:

• 高级电容式感应控制器,具有触摸唤醒功能,适用于需要触控接口的应用
• 低功耗传感器(LESENSE)接口,可在深度睡眠模式下自主感测
• 专利技术的8x32段LCD控制器,功耗降低高达40%
• CAN控制器,用于工业应用中有线连接
• 一流的硬件加密,支持AES、哈希函数(SHA)、循环冗余校验(CRC)、高能效真随机数生成器(TRNG)、安全管理单元(SMU),实现精细的设备安全访问

新型Tiny Gecko MCU与其他类型EFM32 Gecko在软件和引脚上兼容,与以前的Tiny Gecko产品相比,具有更大的闪存(高达128kB)和RAM(高达32kB),这使得开发功能丰富且支持诸如Micrium OS实时操作系统(RTOS)的嵌入式应用设计变得更加容易。

价格和供货

EFM32TG11 Tiny Gecko可提供样片并已量产,支持6种封装,其中包括超小型5mm x 5mm QFN32封装。Tiny Gecko 11 MCU在一万片采购量时单价为1.65美元起。SLSTK3301A入门开发套件也已供货,零售价格为89.00美元,这使得开发人员能够快速评估和开发基于Tiny Gecko的应用。此外,Silicon Labs Simplicity Studio开发工具也支持这些新型Tiny Gecko MCU,开发人员可免费下载。欲订购Tiny Gecko 11产品样片和开发套件,请浏览网站:www.silabs.com/tg11

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延长电池寿命是各种应用中常见的设计要求。无论是玩具还是水表,设计师都有各式技术来提高电池寿命。在这篇博文中,我将阐述一种可策略性地绕过低掉电线性稳压器(LDO)的技术。

生成导轨

使用LDO是从电池产生调节电压的常用方式。对于在完全充电时输出4.2V的单节锂离子(Li-ion)电池尤其如此。

假设您要为电源电压范围在3V至3.6V之间的微控制器(MCU)生成3.3V,并选择TPS706生成该导轨。图1阐述了该电路。

图1:TPS706从电池调压3.3V

图1:TPS706从电池调压3.3V

尽管这个电路很简单,但它有一些限制。其中首要限制因素是掉电,这将导致LDO停止调压,并可能使MCU的供电电压超出规定范围。

掉电的含义

随着电池放电,锂离子电池的电压下降。图2所示为放电曲线的示例。

图2:锂离子电池电压随时间推移下降

图2:锂离子电池电压随时间推移下降

当您记起输入电压接近稳压输出电压时,LDO有可进入压差的风险,这可能令人不安。在某一点上,电池电压将下降到很低电平,使得TPS706将不再能够调压3.3V。相反,输出电压将开始跟踪等于压差电压的差值的电池电压。

当输出电流为50mA,输出电压为3.3V时,TPS706规定了典型的压差为295mV的电压。因此,一旦电池电压降至3.6V以下,LDO可能会进入掉电。图3提供了这类行为的一个示例。

图3:TPS706进入掉电模式

图3:TPS706进入掉电模式

如图所示,一旦VIN下降到3.6V左右,VOUT开始下降。由于MCU供电范围的下限为3V,这令人不安 —— 掉电可能导致VOUT非常快速地降至3V以下。

避免掉电

规避这个问题的一个方法是在它进行掉电之前或进入掉电时绕过LDO。图4说明了此解决方法。

图4:使用P-通道MOSFET来绕过LDO

图4:使用P-通道MOSFET来绕过LDO

在该电路中,TPS3780是双通道电压检测器,通过SENSE1监视电池电压。如果电池电压应低于3.4V,则OUT1将P-通道MOSFET的栅极驱动为低电平。这使得电流(蓝色箭头)流经MOSFET的漏极 - 源极端子,而不是流经LDO的输入 - 输出端子(红色箭头)。由于MOSFET具有比LDO更低的导通电阻,因此输出电压将更紧密地跟踪输入电压。

SENSE2监视输出电压。一旦输出电压低于3V(或MCU的电源范围底部),OUT2将置为低电平。该信号可将MCU置于复位模式。

图5所未为未借助绕过MOSFET的电路的行为。

图5:未绕过MOSFET的下降输入电压

图5:未绕过MOSFET的下降输入电压

为了模拟电池,输入电压以1V/ms的速率下降。您可以看到,一旦输入电压达到3.4V,输出下降到3V就需要大约100ms。

现在,我们来看一下使用绕过MOSFET的电路的行为,如图6所示。

图6:绕过MOSFET的下降输入电压

图6:绕过MOSFET的下降输入电压

一旦输入电压降至3.4V以下,MOSFET就会导通。输出电压现在等于输入电压减去穿过MOSFET的电压降。因此,现在,输出达到3V需要近320ms。通过增强PMOS器件,输出电压比LDO在压差中更接近跟踪输入电压。换言之,外部PMOS的低导通电阻有助于延长电池寿命。

实际上,电池电压将以较慢的转换速率下降。因此,使用旁路电路可显著延长工作时间。

电流消耗

当关闭电池时,您还必须考虑电路的电流消耗。见表1。

表1:各种电路元件的电流消耗

表1:各种电路元件的电流消耗

考虑这一消耗很重要,因为它有助于电池的整体放电。然而,幸运的是,其消耗极低,且额外的电路使电池的持续使用超过了增加的电流消耗。这对于需要更高负载电流的应用尤其如此。

结论

LDO是一种有效的低电流消耗方法,用于产生电池的导轨。然而,当电池电压开始下降时,掉电可能导致调压问题。MOSFET与LDO结合使用有助于避免此问题,以达到最长的电池寿命。

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随着全球智能化发展,中国精装房需求日益旺盛,传统门锁已经满足不了现下消费者的需求了,消费者对新型的智能门锁更加青睐。智能门锁可提供便捷、时尚感和安全性,正逐步赢得中高端消费者的认可。

针对智能门锁的设计,Silicon Labs (亦称“芯科科技”)的EFM32TM Jade Gecko和Pearl Gecko系列32位MCU因其具有超低功耗的特点,可应用于智能门锁的指纹锁系统,有利于电源模块的设计,最大程度的降低系统功耗。

指纹锁系统架构与运行模式

指纹锁系统中主要包括供电电池、指纹识别模块、控制执行机构、交互界面和通信模块。下面是指纹识别智能门锁的应用框图。

图1:指纹锁框图
图1:指纹锁框图

指纹锁中的识别模块包括指纹采集模块和DSP组成。将采集到的指纹信息传输到DSP,由DSP执行提取特征值的算法并将特征值与数据库中的信息进行比对,然后将配对结果通过LEUART传输给主控MCU。EFM32JG/PG的LEUART以及LETIMER模块均针对低功耗设计。EFM32的内部低功耗的LETimer、LEUART可以工作在CPU深度睡眠EM2模式下,LETimer是可参数带死区控制的PWM和常用的单边沿、双边沿PWM,非常有利于控制开锁电机,执行相应的动作控制。

在时钟源为32.768KHZ的情况下可实现9,600的波特率,此时功耗仅为150nA,且支持LEUART接口通信唤醒。优异的MCU低功耗特性将为延长门锁的电池寿命起到极其关键的作用。为了满足低功耗应用场合的需求,EFM32具有完善的低功耗工作机制和极低功耗的外设,通过PRS与DMA的结合,LEUART可以工作在无内核干预的睡眠模式。同时,为了便于对非法撬锁、破坏等情况进行警报,可利用I/O扩展相应的声光报警设备。

实现超低功耗的智能门锁设计

为了扩展门锁系统的用户信息存储,可利用EFM32的SPI接口对外扩展NorFlash。在门锁被暴力破坏或非法闯入时,主控MCU可通过UART发送对应的AT执行,控制GSM模块以短信形式通知用户。

根据智能门锁应用的功能需求可配置不同型号的EFM32芯片作为主控MCU。EFM32的芯片具有良好的兼容性,同系列芯片的引脚为pin-pin兼容。EFM32PG/JG的工作电压为1.85V~3.8V,工作电压范围比较宽有利于电压模块的简单设计。内部集成DC-DC因此智能门锁可以选用3.3V的锂电池系统供电,无需前端添加LDO芯片。

EFM32JG/PG是目前市面上功耗最低的一款M3/M4内核的MCU,相对我们之前的EFM32系列的MCU,其具有6种功耗模式,较之前的EFM32系列MCU多了EM4-冬眠模式(Hibernate)。

相比EM4关断模式,EFM32的EM4冬眠模式可以让系统长时间在1.08uA超低功耗下保持RTC工作,而且可以实现在60us的时间内将处于冬眠模式下的系统直接被唤醒切换到EM0正常工作模式下,可以做到冬眠模式和正常工作模式互相灵活切换,最大成度的降低系统的功耗。

EM0活动模式下MCU电流可到60μA/MHz可以更快执行计算密集型任务,EM2深度休眠模式电流为1.4μA,为超快速唤醒/休眠转换特性进一步减少了系统整体能耗。停机模式电流为1.1μA,关断模式电流为20nA。它们也支持带有128位或256位密钥的高级AES算法、椭圆曲线加密(ECC)、SHA-1和SHA-224/256。AES执行128/256bit AES加/解密仅需54/75个时钟周期。最大256KBFlash,32KB RAM。

EFM32JG/PG系列MCU的优势特性如下:

• EFM32JG/PG可选择32位ARM Cortex-M3或M4内核,可扩展速率最大到40MHz
• 片上硬件加解密加速器支持随机数据发生器、AES、ECC和SHA技术
• 具备8通道DMA控制器
• 具备12位1Msps模数转换器(ADC)
• 具备12通道外设反射系统(PRS)以及可配置的逻辑功能
• @50nA,看门狗定时器专用RC振荡器
• 可为其他系统组件提供电源的片内降压型DC/DC转换器
• 支持8-5V组件的独立I/O电源
• 采用1.85 V至3.8 V单电源供电
• 适合的工作温度范围为-40至85°C之间
• 两种封装:QFN48封装,尺寸为7mmX7mm,QFN32封装,尺寸仅为5mmX5mm

进一步了解Silicon Labs的EFM32JG/PG系列MCU产品信息,请访问:http://cn.silabs.com/solutions/healthcare-and-fitness/personal-healthcare

原文链接: http://www.sekorm.com/news/5504.html

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