单片机开发处理低电流MCU状态低成本方法

只看该作者 · 2021-9-29 10:12

我在这里想象的用例是PCB上已经有5 V电源轨的3.3 V微控制器。产品的主要电源（例如，来自墙壁变压器的电源）可能是5 V，或者开关会为板上的其他组件产生5V。无论如何，您只有5 V，而对于小型，低功耗MCU则需要3.3 V，该MCU始终执行基本的监视，控制和通信任务。

想象一下，我们正在消费电子领域中工作-该产品不需要承受极端的温度变化，没有人的寿命取决于它，而将成本降至最低是中心设计目标。

像我这样的过度设计人员本能地寻求线性稳压器IC，其电流容量可能比我所需的电流大五倍，并且收集了与我的应用无关的惊人规格-在整个温度范围，输入电压范围内，V OUT精度为2％高达20 V，0.001％/ V的线路调节率等

您可能会认为我正朝着基于稳压二极管的稳压器发展，但我想到的要比这更基本：它只是三个普通二极管的串联连接。

我们在这里所做的就是利用二极管压降将5 V电源轨带入微控制器可接受的电源电压范围内。这真的有效吗？好吧，首先让我们看一下基本电压和电流注意事项。

电源电压和二极管压降

我最熟悉Silicon Labs制造的处理器，因此我将使用其规格作为代表示例。阵容中较旧的3.3 V器件的V DD范围为2.7 V至3.6 V，而较新的器件则可承受2.2 V至3.6V。然后，我们观察到三个二极管每片下降600 mV，将使我们处于3.2 V；

即使三个电压都低至470 mV或高达750 mV，我们也将保持在2.7–3.6 V范围内；和在新型MCU的2.2–3.6 V范围内，二极管正向电压可以在470 mV至930 mV的范围内。

MCU电流消耗

如果我们可以依靠恒压降模型，那么三二极管电压“调节器”将很容易实现。但是在这样的应用程序中，我们需要一种更精确的分析方法。

二极管所下降的确切电压是电流的平稳变化函数。因此，三个MCU下降后剩余的电源电压将根据MCU在任何给定时刻消耗的电流而发生显着变化。

我们要做的是仔细估算MCU的电流消耗，然后二极管数据表中正向电流与正向电压的关系图可帮助我们确定二极管的压降是否在可接受的范围内。

这是一个例子：

BAS16GW二极管的正向电流与正向电压的关系图。

假设我们试图保持在2.7 V–3.6 V的电源电压范围内。如果我们在室温下运行，并且微控制器需要1 mA电流，则二极管压降将在600 mV范围内。这使我们接近V DD范围的中间。

如上所述，二极管电压的下限和上限分别为470 mV和750 mV，这对应于约80μA至10 mA的电流消耗范围（80μA是一个近似值，因为该图未扩展如此低的电流）。

对于我们在本文中考虑的应用，除非MCU必须提供大量的I / O电流来驱动LED或类似器件，否则10 mA会相当高。所述EFM8忙碌的蜜蜂，例如，在24.5兆赫工作时只消耗约4.5毫安。在1.53 MHz时电流消耗降至0.9 mA。

当您查看这些数字时，三二极管稳压器似乎是一个可行的选择，并且可能会在相当多的应用中提供足够的性能。但是，在进行成本分析之前，我们需要讨论一个重要的限制。

处理低电流MCU状态

随着MCU的电流消耗减少，二极管的压降也减小，这导致向器件的V DD引脚提供更高的电压。如果V DD电压过高，可能会损坏MCU。当设备进入某种低功耗睡眠或待机模式时，就会发生这种情况。

但是，另一种可能性是正常复位将导致暂时的低电流消耗。这将是一个瞬态事件，因此，旁路电容器可能会保护MCU，但我从未在实际电路中使用过三二极管稳压器，所以我不确定。

这些问题的解决方案是包括防止电流过低危险的附加电路。如果您有其他组件通过二极管吸收电流，则可以自动完成此操作。否则，您可以包括一个电阻，该电阻的大小取决于可接受的最小二极管电流：

这真的可以降低成本吗？

我在Digi-Key上找到的最便宜的线性稳压器IC成本为4.3美分（本节中提到的所有价格均涉及大批量订单，即数千个单位）。

如果MCU的旁路电容不能充分稳定稳压器，则还需要一个输出电容器。（我总是为稳压器和MCU使用单独的电容器，但如果您认为它们可以共用一个电容，请在评论中告知我们。）1μF的陶瓷电容将使BOM成本增加0.3-0.4美分。

我看到一个三二极管阵列（即，一个表面安装封装中的三个独立二极管）的价格为2美分。单个表面贴装二极管的价格低至约1.2美分，总成本仅为3.6美分。电阻要比电容器便宜一些，也许是0.2美分。

这些数字表明可以适度降低成本。但是，这是一个简单的分析，我的直觉告诉我，如果考虑所有购买因素，从经济角度来看，三二极管解决方案看起来会更好。