低功耗MCU在家电中的应用分析

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最近几年由于人们对环保的重视，市场上开始关注节能低碳的电子产品，对家电等电子产品的低功耗性能也提高了要求，低功耗MCU在家庭的各种电器产品上将占据重要地位。
　在智能家电产品通电后，MCU就开始启动，由于MCU所消耗的电流只占整个家电产品消耗功率的很小一部分，所以通常对其工作电流大小不作要求，只要产品可以正常工作即可。一直到最近几年，由于人们日益重视环保，市场上开始关注节能低碳的电子产品，对家电及电子产品的低耗能也提高了要求，因此低功耗MCU在家庭的各种电器产品上开始占据重要地位。
　　低功耗MCU的需求原因
　　在电子产品上需要低功耗MCU的原因大部分出自环保的考虑：一方面，地球温室效应造成的问题需要大家通过节约能源来解决；另一方面，大量的电池若没有按正常渠道回收可能会造成土地和水资源污染。具体来说，低功耗MCU的需求可以归纳为以下几种情况。
　　1. 一般家电电源来自电源插头，当插头插在插座上，即使家电没有启用也会消耗一些功率，通常来说这些消耗的功率越少越好。
　　2. 家电若具有时钟功能，则当插头离开插座后，时钟所需的电源需靠内部电池提供，因此电池必须能够维持较长时间。
　　3. 具有遥控功能的电器需维持较低的待机电流。
　　4. 使用电池供电的电器用品其电池使用寿命要越长越好。
　　5. 使用太阳能电池来代替使用一般电池的电子产品。
　　通过以上五点可详细地说明低功耗MCU在家电上的应用。就第一点来说，目前许多家电插头一直插在插座上，这样即使没有使用也会消耗部分电流，所以环保人士才会极力倡导电器在没有使用的时候把插头拔掉。但是人们难免有时候会忘记拔掉插头，此时便可以使用低功耗MCU来降低待机电流。
　　为了让待机电流降低，MCU需将系统频率切换为低速模式，如图1，当系统频率切换为fL时，MCU内部会将高速振荡器电路关掉，以节省其耗电电流。除此之外，整个MCU执行指令的耗电电流因系统频率切换为fL的缘故也会大幅降低，两者的耗电比例最大可以相差100倍（2毫安与20微安的差异）（注：图中高频系统振荡器有3种选择，低频系统振荡器有2种选择，一般高频的系统振荡器约在0.4MHz以上，低频系统振荡器约32kHz）。



图1 为了让待机电流降低，MCU需将系统频率切换为低速模式
　　另一个大幅降低待机电流的方式是MCU进入IDLE模式。在此模式下，MCU已经不执行程序，仅启动部分计时功能，MCU每隔一段时间会因定时器溢位而被唤醒。在IDLE模式里，中断及唤醒功能仍然有效，当然也可通过外部按键的方式唤醒MCU，使其离开省电模式重新回到一般工作模式。
　　就第二点来说，一般家庭的各种电器用品都可能具有时钟功能，尤其是厨房内的家电，例如电子锅、电饭锅、微波炉、烤箱、烘碗机、豆浆机、果菜机等等。以电子锅为例，平常插头插在插座上时，MCU的电源来自电力公司的交流电，并对电子锅内部时钟的充电电池充电；当插头拔掉时，电子锅还要继续计时，此时就靠电池提供电源给MCU内部的计时电路。如果在下次插头重新插入之前电池耗尽，时钟就会不准且无法继续计时，而且充电电池也可能因为过度放电而很快损耗掉。
　　为了提供一个省电的时钟功能，MCU必须具有一个省电的32,768Hz晶体振荡器电路（LXT），且在MCU进入IDLE模式时，该振荡器电路还能继续工作，时钟也可以继续计时，LCD可以继续运行，以显示目前的时间，这些功能加起来的耗电流必须要足够低才可以让电池供电，并维持更久的时间。图2显示了选用LXT作为计时来源时，最长可以每秒产生1次计时中断。



图2 选用LXT作为计时来源时，最长可以每秒产生1次计时中断
　　至于第三点，许多家电、音响、电视都会有遥控器接收电路，以方便使用该电器的各种选项及设定功能。当这些电器关闭时，并不是完全关闭电源，遥控器的接收电路还在继续工作，除非把插头拔掉，否则待机电流一直存在，这也会造成能源的浪费。若是能把此时的耗电降至最低，对节能省电也有不小的帮助，接收遥控器电路的MCU如果本身使用低功耗MCU就是降低此时待机电流的好方法。
                          
                       
                          
                               
　　为了能够随时侦测到遥控器发射的红外线载波信号，红外线的接收电路必须永远保持工作状态，为此基本的耗电是免不了的，节能的可行方法是将MCU的系统频率降低，让MCU运行在可以接受红外线遥控器信号的最低工作频率，从而节省其工作时的耗电。
　　在图1的例子中，MCU的系统频率可以在fH、fH/2、fH/4、fH/8、fH/16、fH/32、fH/64、fL等8种频率中进行选择，所以MCU可以根据本身的工作内容需求，选择适合当时工作的系统频率，从而完成良好的电源管理。



图3 HT66FX0系统频率与工作电流的关系：统频率降低，工作电流也会跟着降低
　　图3说明了在同样电压下，系统频率降低，工作电流也会跟着降低。在电压5V、系统频率12MHz时，MCU的工作电流约3mA；但是当系统频率选择fH/2，也就是6MHz时，工作电流降至2.2mA，约减少27%；当系统频率选择fH/4，也就是3MHz时，工作电流约降至1.5mA，比工作在12MHz时约减少50%。
　　家用电器的省电设计构思
　　第四点意味着对使用电池的产品而言，在符合成本的原则下，应选择消耗功率最小的MCU，因为电池废弃物的处理对环境影响很大，且电池内部的重金属会污染水资源及土地。比如家庭中厨房秤、遥控器以及某些具有时钟功能的小家电都会使用到电池，若是使用低功耗MCU，则可以减少电池用量，从而减少环境污染。减少电池用量可以从降低MCU的工作电流做起，同样功能的MCU，若是选择消耗电流减少一半的，则电池使用寿命将增加一倍，这样不仅减少购买电池的费用，也减少了电池的使用量。
　　第五点中提到使用太阳能电池，这可更进一部减少电池的用量，对环境保护将发挥最大的效果。我们常看到一些电子计算器使用太阳能来供电，如果低功耗MCU工作的电流及电压都大幅降低，则也有机会使用太阳能电池。在功耗需求较低的产品上，如温度计、湿度计、体温计、电子表、LCD显示电子钟等，使用小瓦数的太阳能电池就足够应付MCU所消耗的电流。太阳能是最环保的能源，只要有太阳，产品就可以工作，不需担心电池耗尽问题，也不需更换电池，因而也不会造成环境污染。
　　对第四点及第五点来说，使用可以工作在1.5V的MCU是最佳的解决方法，因为1.5V MCU除了可以使用1颗电池供电外，其本身所消耗的电流也可以降至最低。但因为1.5V MCU技术难度较高，市面上并不多见。盛群半导体提供的HT46R01M、HT46R02M、HT48R01M、HT48R02M MCU就是工作电压为1.5V的MCU。
　　结语
　　低功耗MCU在家电产品上的应用将会越来越广，同时因为技术的进步，低功耗MCU将会有越来越多的产品出现，几乎每一家MCU大厂都提供低功耗MCU让客户选择，例如盛群半导体的Tiny Power MCU系列，不管是一次刻录的还是多次刻录的都可提供，选择适合产品使用的低功耗MCU也非常重要。
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