低功耗嵌入式設計技巧大盤點

設計思路

設計新的電子設備常常需要進行多項權(quán)衡取舍。成本通常與性能并不一致。對于成本敏感型市場，例如面向消費者的產(chǎn)品，選擇作為嵌入式系統(tǒng)核心的微控制器或微處理器，可能是最為影響性能的關(guān)鍵決策。影響嵌入式系統(tǒng)整體性能的系統(tǒng)特性中，經(jīng)常有相互競爭的特性。在這篇博文中，我們將考慮以下幾點：

電池續(xù)航能力

響應能力

熱性能

無線信號范圍和速度

外部外圍組件提供的功能

需求分析

低功耗設計對于電池供電設備或依賴能量采集技術(shù)的設備至關(guān)重要。一些初步問題應包括：

現(xiàn)場維護設備的可維護性如何？是否可以更換電池？

工作環(huán)境如何（溫度范圍、濕度范圍、暴露在陽光下、暴露在化學品中等）？

尺寸和重量限制是多少？

需要什么類型的通信？需要多久發(fā)送一次遙測數(shù)據(jù)？

預計有多少外部設備（傳感器、執(zhí)行器）會與我們的設備交互？它們的接口是什么？

功率預算

在了解了大致的要求之后，就要進行粗略的功率預算了。

首先，我們可以將外部設備的所有電流消耗相加。然后查看可能滿足功能要求的微控制器/微處理器，并確定它們的效率。通常情況下，規(guī)格書會詳細列出以uA為單位的效率，以Hz為單位的時鐘速度。提前花時間研究和選擇合適的MCU/MPU - 無論是在功能還是性能方面 - 將大大有助于滿足設計的低功耗要求。一旦我們對預期的活動和空閑功耗有了很好的了解，就可以做一些粗略的計算，查看各種電池選項，以估計電池的續(xù)航時間。別忘了，選擇正確的電池化學成分對于本次討論至關(guān)重要。

例如，鎳鎘（NiCd）和鎳金屬（NiMH）電池在寒冷氣候下不能很好地保持電量。

設計級因素

解決了架構(gòu)級別的全局問題后，就該關(guān)注優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)功耗的設計級考慮因素了。硬件和固件需要考慮的一些設計經(jīng)驗法則包括：

選擇盡可能低的工作電壓。在最長的時間里，5V是常態(tài)，然后是3.3V。如今，2.7V和1.8V的內(nèi)核和內(nèi)存工作電壓也已經(jīng)不罕見。市場上一些嵌入式組件的電壓甚至可以低至0.9V。

在不影響性能的前提下，將核心時鐘速率盡可能降低。

除了盡量小的工作電壓外，盡可能選擇具有相同工作電壓的組件，以減少對DC-DC轉(zhuǎn)換器和布線多個電源軌的需求。

當心LED和液晶顯示屏！它們很漂亮并且可以增加功能，但可能會非常耗電（相對于它們的實用性）。明智地添加LED。如果需要液晶顯示屏，請讓用戶能夠調(diào)節(jié)亮度。

電路拓撲結(jié)構(gòu)和元器件選擇會對您的功率預算產(chǎn)生重大影響。必要時，分壓器、上拉電阻和下拉電阻可以消耗電流。確保它們是必要的，并確定它們的大小以使其兼顧效率和有效性。

不要簡單地硬連線外圍設備讓其一直處于啟用狀態(tài)。而是應投入設計時間并預算MCU的GPIO引腳，以允許固件根據(jù)需要打開和關(guān)閉外圍設備。

避免在代碼中使用延遲或持續(xù)的傳感器輪詢；這會導致無用的時鐘周期，它們不執(zhí)行任何功能，但仍然消耗能量。建議使用任務調(diào)度程序和中斷代替。

選擇符合要求，但不超過要覆蓋的距離的通信協(xié)議。例如，Zigbee?要比藍牙效率更高。不需要時關(guān)閉無線電。不過請務必考慮打開無線電所需的時間。對于低功耗、低數(shù)據(jù)速率的應用來說，這應該不是什么大問題。

不要讓GPIO引腳懸空。

對于具有內(nèi)部上拉的GPIO引腳，非必要時請不要啟用上拉。

降低I2C和SPI等通信總線的時鐘速率。

模數(shù)轉(zhuǎn)換中使用的電阻器和電容器會消耗相當多的能量。降低ADC讀數(shù)的頻率，并在讀數(shù)之間關(guān)閉R-C網(wǎng)絡。但一定要給電容器足夠的時間在讀取數(shù)據(jù)之前重新充電。

結(jié)語

優(yōu)化功耗設計不僅僅可以延長電池續(xù)航能力。更低的功率意味著更少的熱量，從而可以提高可靠性并降低熱引起故障的風險。

最后，一定要驗證您的設計。無論是使用廉價的USB功率計、萬用表、焦耳示波器還是能量分析儀，請花點時間觀察設備在實驗室和現(xiàn)實環(huán)境中的功耗。為方便操作，請務必在電路板上放置測試點，以便可以測量電流和電壓。

作者簡介

專業(yè)工程師Michael Parks是Green Shoe Garage的所有者。Green Shoe Garage是一家提供定制電子設計的工作室和技術(shù)咨詢機構(gòu)，位于馬里蘭州南部。Michael Parks創(chuàng)辦了《S.T.E.A.M. Power Podcast》播客來提升公眾對科技的認知。他擁有馬里蘭州專業(yè)工程師資質(zhì)，并擁有約翰·霍普金斯大學的系統(tǒng)工程碩士學位。

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