基于MAX32660的超低功耗可穿戴設備電路設計

2019年10月08日 作者:Teardown

MSP430FR2676TPTR 可在 1.8 至 3.6 V 電壓下工作,適合與 3.6 V 鋰電池配合使用。在 RTC 運行且有最少外設的情況下,微控制器的電流可以低于 5 μA。而在主振蕩器運行時,MSP430FR2676TPTR 消耗 135 μA/MHz(典型值)。

為了讓可穿戴設備實現更高性能,美信半導體 推出了?MAX32660GWE?32 位微控制器(圖 2)。該器件基于帶浮點單元 (FPU) 的 Arm? Cortex?-M4 內核。MAX32660 具有 256 KB 的閃存和 96 KB 的 SRAM。SRAM 分為四個扇區。任何扇區都可以配置為:啟用以進行讀/寫操作;或進入輕度睡眠狀態以禁用讀/寫操作,同時保留內容以節省電力;或完全禁用,以關斷該扇區的電源。

MAX32660 的工作頻率最高可達 96 MHz,所有外設皆運行時功耗僅為 85 μA/MHz。為了盡量減少耗電量并縮小封裝尺寸,它有一個用于可穿戴設備的最小外設集,包括兩個 SPI、兩個 I2C 和兩個 UART。

MAX32660 支持兩個內部振蕩器:一個可通過固件禁用的 96 MHz 高速內部振蕩器,以及一個無論何種低功耗模式皆始終開啟型低功率 8 KHz 環形振蕩器。32.768 kHz 振蕩器使用外部晶振,用于 RTC。這三個振蕩器中的任何一個都可用于為 CPU 和外設提供時鐘。

任何外設都可以通過固件關斷電源。此外,固件也可以禁用該外設的時鐘,節省寶貴的電量。

根據可穿戴設備要求,無論在何種低功耗模式,RTC 皆始終開啟,除非在活動模式下通過固件有意禁用。RTC 和時鐘位于一個單獨的部分中,稱為“始終開啟域”。該域與微控制器的其余部分隔離,確保在發生固件故障或篡改時 RTC 不受影響。

除了活動模式,MAX32660 還支持三種專為可穿戴電子設備定制的低功耗模式:

  • 在休眠模式下,CPU 處于關閉狀態,而任何已啟用的外設都可以自主運行。當可穿戴設備處于空閑狀態,且使用 DMA 記錄和存儲傳感器數據時,這種模式會很有用。任何活動的外設都可以將 CPU 喚醒進入活動模式。
  • 在深度休眠模式下,除了 RTC 的 32.768 kHz 時鐘外,CPU 和外設的所有內部時鐘都關閉。固件可以將 96 MHz 內部時鐘配置為在進入深度休眠模式時自動關閉。所有 RAM 內容皆得到保留,包括數據 SRAM 和所有外設寄存器。這對于需要軟關斷模式的可穿戴設備很有用。在這種模式下,可穿戴設備進行斷電以節省電力,但在恢復電源后需要重啟到斷電前的狀態。
  • 后備模式是最低功耗模式。除 RTC 外,CPU 和所有外設的時鐘和電源都關閉。默認情況下,SRAM 的所有電源都禁用。當用戶關閉可穿戴設備且不保留 SRAM 內容以節省電力時,這種模式很有用。但是,此模式可以選擇將四個 SRAM 扇區中的任何一個保持在輕度休眠狀態,以保留存儲器內容。當可穿戴設備需要通過耗費最少的額外電流來維持最低限度狀態時,這種模式會很有用。

MAX32660 需要 1.71 至 3.63 V 的電壓,故可使用 3.6 V 鋰電池。微控制器還具有自足式電源管理單元,由于無需外部元器件,因而減少了引腳數量。它還支持電池電量計,可監視外部電池并提供電池充電狀態的準確讀數,該讀數可顯示在可穿戴設備的用戶界面上。

總結

始終開啟型可穿戴電子設備向工程師提出了獨特的挑戰。即使可穿戴設備似乎已斷電,它仍然會消耗一定的電力。但是,如本文所述,設計人員可以為其設計增加功能和特性,并使用可配置的低功耗模式來維護和延長電池續航時間。

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