採用單電池操作的方式，讓用戶得以在大小相似的空間中，以一顆較大的電池取代兩顆較小的電池，還能增加產品的電池壽命；另一個作法是不採用串聯，而以並聯方式連接現有的兩顆電池，如此亦能有效延長產品的電池壽命。此種並聯的電池連結方式須搭配特定機制以防止電池逆向連結，除此之外，這不失為是一種將電池壽命最大化的好方法。另一個可能性則是拿掉一個電池，如此能讓產品更小且更便宜，一般人也許會認為拿掉一個電池會讓產品電池壽命減半，然而本文接下來的說明，即可明白未必如此。
DC-DC升壓轉換器 牽涉MCU耗能與效能
以單電池操作來說，除了要提供0.9伏特的電壓給微控制器外，有些元件必須提供1.8伏特以上的電壓才能正常動作，為解決此問題，必須另外增加直流對直流(DC-DC)升壓轉換器，然而，就電池供電的嵌入式系統而言，此種獨立的方法有若干限制。為使電力消耗降至最低，在不需要的時候，DC-DC轉換器最好能停止操作，然而，若關掉DC-DC轉換器，則微控制器就失去了供應電壓，且將無法保持即時時脈，或是在沒有額外輸入電壓的情況下便無法重新啟動系統。更糟的是，當DC-DC轉換器失去作用時，微控制器將失去整個隨機存取記憶體(RAM)的內容。然而，若不停止DC-DC轉換器的操作，即使微控制器是在睡眠模式，系統的待機電流仍會偏高，通常會超過20微安培(μA)。
除此之外，還必須考慮DC-DC轉換器和微控制器的工作效率。大部分的獨立式DC-DC方案都被設計為傳送至少150毫瓦(在大部分的情況下會更多)，且給負載時的效率為最高，而在較小的負載時效率就會差上許多。相對而言，一個典型的微控制器從供應電流汲取的電流會小於30毫瓦，而這會造成DC-DC轉換器效率僅約為50～70%。
所以，是否有其他更有效的解決方案？也許可將一個最佳化、低電源的DC-DC轉換器和微控制器整合至同一個晶片上，這能立即減少系統成本和電路板空間。
若還能利用低至0.9伏特的低輸入電壓，維持RAM內容並操作即時時脈，則此微控制器還能控制自有的供電系統。若還針對標準型微控制器的周邊和功能，包括待機模式、睡眠喚醒及快速代碼執行等進行最佳化，以達到最低的漏電損失和功耗，則此裝置便能支援單電池操作，同時還能擁有與雙電池操作相當的電池壽命。
上述方式已有廠商採用並推出產品，此元件將高度最佳化的增壓DC-DC轉換器整合至微控制器中，其能將介於0.9～1.5伏特間的電池電壓增至介於1.8～3.3伏特間的可程式輸出電壓。此升壓後的電壓會被用於微控制器輸入/輸出(I/O)接腳及周邊。如圖1所示，藉由使用最佳化的65毫瓦DC-DC轉換器，轉換器依然可保持80～90%的高效率。
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| 圖1 最佳化DC-DC轉換器效率 |
不僅如此，由於DC-DC轉換器能供應65毫瓦的完整輸出，因此升壓後的輸出電壓也能被用來提供外部元件所需的電壓。此方式將能避免因為介接至其他較高電壓IC或感測器所可能發生的問題，而之所以會產生這樣的問題，是因為要以3伏電壓驅動發光二極體(LED)，或甚至得提供足以驅動LCD或有機發光二極體(OLED)顯示器的電壓。為進一步改善系統效率，此新元件的微控制核心和數位周邊皆是以內部統一的1.7伏特電壓操作，在25MIPS的速度時僅消耗170μA/MHz。
最佳化周邊與ADC 亦可降低MCU功耗
當然，並非提供高效率的整合型電源供應系統就足夠，不同的操作模式和交換次數，以及類比、數位和通訊周邊都會影響系統的整體功耗。低電源微控制器最須注意的技術規格就是待機和工作模式功耗的數據，如上所述，製造業者通常會列出mA/MHz的數值，計算此裝置所使用的各種時脈速度。
與此相關，觀察微控制器工作模式功耗時，便會直覺認定就平均功耗而言，相較於以較低速率操作的微控制器，以較高工作時脈速率操作的效率較高，這樣的看法通常都正確。當互補式金屬氧化物半導體(CMOS)處理器的操作性能是在速度較快的情況下操作時，通常效率較佳，於是便能將更多心力放在低功耗待機或是關機模式的設計上。
基於相同的理由，一個設計良好、快速的類比數位轉換器(ADC)也能提供高效率的系統表現，然而，在特定系統中，需要較長擷取時間的高輸入阻抗可能會限制ADC的速度。此外，為求電池供電系統中的ADC結果一致，一般會採用分離式的參考電壓，有時則會整合至微控制器中，然而，若此一能在幾個百萬分之一秒得出結果的高速ADC須花上數毫秒等待參考電壓穩定，則系統就會花費多餘時間在等待參考電壓的穩定，進而消耗電池的壽命。
整合元件使用的ADC和電壓參考模組提供市場上較短的喚醒和處理時間。此高速內部電壓參考可在1.7微秒內取得穩定，也就是在微控制器被喚醒後就準備好，這讓300ksps的10位元ADC能立刻開始轉換。
在混合訊號微控制器中，相對簡單的比較器中斷驅動很常見，這能喚醒裝置，並能某種程度地獨立於處理器核心之外操作，然而，藉由增加ADC模組一些獨立操作的機會，則可實現更佳的電源效率。廠商推出的ADC模組可支援兩種模式，一種為連續取樣模式，可執行連續十六次的轉換，並在沒有微控制器介入的情況下自動累積結果；另一則為窗口比較器(Window-comparator)模式，唯有在結果落在特別數值的窗口時才會中斷微控制器，並能提供同步至DC-DC轉換器的操作週期中最安定部分的功能。
鹼性電池並非唯一選擇
針對微控制器中的DC-DC轉換器，數種單電池的化學性質相當適用於提供介於1.5～0.9伏特的電壓。這些電池包括所有AA和AAA型的電池，以鹼性(Alkaline)、鎳氫(NiMH)、鎳鎘(NiCd)和鋰(Lithium)電池為主要的種類，其他還有鋅-空氣(Zinc-Air)和氧化銀(Silver Oxide)鈕釦電池。
然而，就其他電池型式而言，有些電池輸出是較高的，例如硬幣型鋰電池，其電壓介於3.0～2.0伏特，此外，也許還有其他的理由必須用到較高的供應電壓，藉由將裝置的組態設定為雙電池模式，這樣的應用仍能利用超低功耗及高效率的優點，亦即DC-DC轉換器可完全停止運作，讓微控制器能支援介於1.8～3.6伏特的輸入電壓。
快速評估系統電池壽命
為讓設計者能快速評估新設計的電池壽命，通常此任務一般是以複雜的技術規格進行，業界廠商提供一個簡單、可下載的個人電腦(PC)工具，即電池壽命評估器。無論任何系統或應用，只要輸入設計人員所選擇的電池型式及放電資料，如圖2顯示的一些基本功耗參數，則此軟體會針對單、雙串聯及雙並聯電池組態的整體電池壽命進行比較，評估自動放電和儲存壽命，此軟體並會輸出圖表，顯示電壓和時間的關係及電池壽命的評估數據(圖3)。
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| 圖2 電池壽命評估放電工具 |
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| 圖3 電池壽命評估模擬工具 |
利用測到或估計的數值修改已儲存的放電資料，設計人員能評估不同的系統特性和電池組態選擇所造成的長期影響，甚至能比較同業的微控制器解決方案。
(本文作者任職於芯科實驗室)
