Системы питания и управление энергопотреблением
Эффективное управление питанием – это ключевой аспект разработки проектов на микроконтроллерах. Это необходимо как для снижения общего энергопотребления, так и для увеличения долговечности работы устройства, особенно если оно питается от батареи. В этой главе мы обсудим системы питания микроконтроллеров, их основные компоненты и методы управления энергопотреблением.
Основные источники питания
Для питания микроконтроллеров обычно используют несколько типов источников энергии: батареи, сетевые адаптеры и солнечные панели. При выборе источника питания важно учитывать его напряжение и ток, которые может предоставить устройство.
# Батареи
Батареи – наиболее распространённый способ питания портативных устройств. Литиево-ионные и литиево-полимерные батареи используются чаще всего благодаря их высокой энергоёмкости и небольшому весу. Например, перезаряжаемые литиево-ионные батареи могут обеспечивать напряжение от 3,7 В. При проектировании схемы с микроконтроллером, работающим от батареи, важно учитывать рабочее напряжение и токовые характеристики, чтобы избежать повреждений.
# Сетевые адаптеры
Сетевые адаптеры часто применяются для стационарных устройств. Они могут преобразовывать переменное напряжение 220 В в постоянное напряжение, необходимое для работы микроконтроллера. Важно использовать адаптеры с защитой от перенапряжений и перегрузок, чтобы повысить надёжность устройства.
Регуляторы напряжения и преобразователи
При использовании различных источников питания может потребоваться нормализация напряжения. Регуляторы напряжения и преобразователи постоянного тока помогают в этом.
# Линейные регуляторы
Линейные регуляторы, такие как LM7805, поддерживают стабильное выходное напряжение, но работают менее эффективно, особенно при значительных разностях между входным и выходным напряжением. Например, если вам нужно получить 5 В для микроконтроллера из 9 В, регулятор будет терять излишнее напряжение в виде тепла, что может привести к его перегреву.
# Импульсные преобразователи
В отличие от линейных, импульсные преобразователи более эффективны, особенно в случаях, когда критически важно минимальное энергопотребление. Они могут преобразовывать напряжение с минимальными потерями, что делает их отличным выбором для портативных устройств. Например, преобразователь напряжения XL4015 способен преобразовывать 12 В в 5 В с КПД до 95%, что весьма эффективно для питания компонентов с низким напряжением.
Управление энергопотреблением
Существуют различные подходы к управлению энергопотреблением микроконтроллеров, которые позволяют значительно снизить расход энергии.
# Режимы сна
Большинство современных микроконтроллеров имеют встроенные режимы сна, которые позволяют существенно сократить потребление энергии в простое. Например, в STM32 существуют режимы «Сон» и «Стоп», позволяющие снизить потребление до нескольких микроампер. Использование RC-функции поможет оптимизировать код, чтобы микроконтроллер автоматически переходил в спящий режим после завершения своих задач:
