今日的便攜式產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)所用的電池會(huì)有些相互沖突的要求，例如更豐富的產(chǎn)品功能會(huì)新增耗電，使用者也希望電池使用時(shí)間更長，但不斷縮小的產(chǎn)品體積和成本限制卻使電池容量無法新增，因此節(jié)省電力就成為最重要的考慮。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)為了將耗電減到最少，通常都盡可能減少電流消耗；但其實(shí)電池的蓄電量是電壓、電流和時(shí)間的乘積，要有效提升整個(gè)系統(tǒng)的電源效率，就必須同時(shí)考慮這三項(xiàng)變量。微控制器系統(tǒng)若以電池做為電源，這些電池又能由使用者更換，則可采用專為因應(yīng)這些變量而設(shè)計(jì)的微控制器，因?yàn)檫@些微控制器可通過芯片內(nèi)置電壓轉(zhuǎn)換等功能和傳統(tǒng)低耗電操作模式來解決前述問題。電池特性多數(shù)低端和中端便攜式產(chǎn)品都會(huì)使用可替換的電池或充電電池，這些電池還能由使用者自行更換。如圖1所示，剛充完電時(shí)的單節(jié)電池電壓通常會(huì)在1.2-1.6V之間，電力耗盡時(shí)則下降至0.9-1.0V。把兩個(gè)單節(jié)電池串聯(lián)即可供應(yīng)1.8-3.2V之間的電壓。

正常操作時(shí)的微控制器電源特性常見的低耗電微控制器都能在兩顆電池的供電范圍操作。例如多數(shù)8和16位微控制器都是采用0.35微米CMOS技術(shù)，它們的操作電壓最高達(dá)到3.6V，但若電壓只有1.8V就會(huì)影響其效能。電壓較低時(shí)，數(shù)字邏輯的操作速度會(huì)變慢，模擬開關(guān)組件的導(dǎo)通阻抗也會(huì)變大。組件效能同樣會(huì)隨著電池電壓改變，只不過電池電壓與應(yīng)用需求通常毫不相干。除此之外，假如數(shù)字邏輯的設(shè)計(jì)是為了在最低電池電壓下操作，它在電壓較高時(shí)就會(huì)消耗較多的電流。CMOS邏輯門的動(dòng)態(tài)功耗可寫為：p=CV2f，其中C為負(fù)載電容，它是設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)的函數(shù)；V為供應(yīng)電壓；f則是開關(guān)頻率，它是應(yīng)用處理需求的函數(shù)。電源電壓是控制功耗的重要手段，因此若能像C8051F9xx內(nèi)含低壓差(LDO)穩(wěn)壓器相同，直接在芯片中新增電壓轉(zhuǎn)換功能，就能供應(yīng)穩(wěn)定的1.8V電壓給微控制器的數(shù)字核心(參考圖2)，使動(dòng)態(tài)功耗大幅下降。

電壓轉(zhuǎn)換的好處觀察CMOS技術(shù)的動(dòng)態(tài)功耗關(guān)系有助于了解使用LDO穩(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)：p=CV2f=V(CVf)=VI其中動(dòng)態(tài)電流I=CVf分析動(dòng)態(tài)電流時(shí)，我們常以1MHz頻率或特定電源電壓為基準(zhǔn)將動(dòng)態(tài)電流正規(guī)化；例如在1.8V電壓下，常見的低耗電微控制器每MHz會(huì)有220A的動(dòng)態(tài)電流消耗。假如沒有電源穩(wěn)壓，則在電壓為3.2V時(shí)會(huì)新增到每MHz等于220(3.2/1.8)=391A。但若使用LDO穩(wěn)壓器，電池電流在整個(gè)電壓范圍都會(huì)固定在每MHz為220A。設(shè)計(jì)人員還能升級(jí)到更先進(jìn)的0.18微米工藝技術(shù)，使數(shù)字邏輯的速度更快，電流消耗則減少2到3成。要將操作電壓降至1.8V以下其實(shí)并不難，但現(xiàn)有的閃存技術(shù)至少要1.8V電壓，許多模擬外圍也要1.8V以上的電壓來滿足效能和應(yīng)用需求。圖1顯示沒有一種單電池或雙電池架構(gòu)能供應(yīng)1.6-1.8V間的電壓。若微控制器核心電壓在這個(gè)范圍，那么使用2顆電池時(shí)可由LDO供應(yīng)所需電壓，若是1顆電池則可使用以電感為基礎(chǔ)的DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器。在整個(gè)電池壽命期間，電池供電電路只需進(jìn)行升壓或降壓轉(zhuǎn)換，不必在兩種模式之間動(dòng)態(tài)切換。集成式DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器(例如C8051F9xx內(nèi)含轉(zhuǎn)換器)雖會(huì)使電路復(fù)雜性略增，卻能讓系統(tǒng)靠著一顆電池操作，大幅降低產(chǎn)品的成本與體積。LDO雖能大幅降低雙電池系統(tǒng)的耗電，DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器卻能供應(yīng)比LDO還高的整體電源效率。在其它條件都相同的情形下，單電池設(shè)計(jì)若采用效率高達(dá)80%的DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器，則其耗電將只有不含LDO的傳統(tǒng)0.35微米雙電池設(shè)計(jì)的一半。休眠模式要求要供應(yīng)最大電源效率和最長電池壽命，就必須將微控制器在喚醒過程和正常模式下的操作最佳化，確保組件多數(shù)時(shí)間都處于超低耗電的休眠模式。在有些應(yīng)用中，休眠模式電流是影響整體電源消耗的最大因素。要將休眠模式的電流減到最少，就必須關(guān)閉LDO和DC/DC轉(zhuǎn)換器，同時(shí)切斷數(shù)字核心的電源供應(yīng)。它們必須能快速啟動(dòng)，以便微控制器迅速回到正常操作模式。電源管理和實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路(RTC)等許多模塊就算在休眠模式也要操作，故須能使用0.9-3.2V的未穩(wěn)壓電源工作。切斷數(shù)字核心邏輯的電源還能防止截止?fàn)顟B(tài)漏電流造成休眠模式電流新增，只不過微控制器即使進(jìn)入休眠模式，也要保存RAM內(nèi)存和所有緩存器的內(nèi)容，以便程序從正確的位置恢復(fù)執(zhí)行。它還要某種型式的持續(xù)供應(yīng)電壓監(jiān)控或電壓突降偵測(brownoutdetection)功能，確保電壓就算降到保存數(shù)據(jù)所需的最低電壓以下，這些狀態(tài)數(shù)據(jù)也不會(huì)毀損。最后，微控制器應(yīng)能在外部事件觸發(fā)或內(nèi)部計(jì)時(shí)終止時(shí)離開休眠模式，而且最好能夠同時(shí)支持石英晶體或RC振蕩器。為了確保電池壽命最長，整個(gè)芯片包括電壓突降偵測電路和32.768KHz石英振蕩器在內(nèi)的休眠模式電流應(yīng)小于1A。舉例來說，C8051F9xx包括電壓突降偵測電路在內(nèi)的典型休眠模式電流只有50nA，還能迅速從休眠模式回到正常操作模式(使用2顆電池時(shí)通常為2s，1顆電池時(shí)則不到10s)。將正常操作模式的時(shí)間減到最少微控制器在休眠模式和正常模式之間切換時(shí)，盡管電流消耗較大，實(shí)際卻未做什么有用的工作。快速喚醒時(shí)間能節(jié)省耗電，并對(duì)具有時(shí)效性的觸發(fā)事件迅速做出響應(yīng)，例如因?yàn)榇卸丝趧?dòng)作而回到正常模式。防止在高速系統(tǒng)頻率電路中使用啟動(dòng)緩慢的石英振蕩器，而應(yīng)選擇精確和快速啟動(dòng)的芯片內(nèi)置振蕩器。模擬模塊的啟動(dòng)方式還會(huì)對(duì)微控制器停留在正常模式的時(shí)間造成很大影響，例如使用外部解耦合電容的穩(wěn)壓器或電壓參考電路可能要數(shù)毫秒才能穩(wěn)定。進(jìn)入正常操作模式后，數(shù)字核心應(yīng)以最大頻率頻率工作，這樣才能讓靜態(tài)電流分?jǐn)偟捷^多的頻率周期，使得每MHz的電流消耗降低。分析這項(xiàng)效能指標(biāo)時(shí)，最好將所有的靜態(tài)電流源包含在內(nèi)，如供應(yīng)電壓和頻率監(jiān)控電路、參考電壓電路、LDO穩(wěn)壓器和系統(tǒng)頻率振蕩器。集成式解決方法的優(yōu)點(diǎn)無論讓傳統(tǒng)微控制器搭配外接式LDO穩(wěn)壓器或DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器，其效能都比不上完全集成式解決方法。集成式組件不但大幅減少體積和成本，集成式電壓轉(zhuǎn)換器的效率通常也較高，因?yàn)樗鼈兪菍楣╇娊o微控制器核心所設(shè)計(jì)。最后，外接式轉(zhuǎn)換器不能關(guān)機(jī)進(jìn)入休眠模式，否則就無法供應(yīng)電源給微控制器。有些外接式DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器可于待機(jī)模式下供應(yīng)電源給休眠中的微控制器，但待機(jī)模式通常會(huì)從電池汲取數(shù)十微安培的電流。