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的設備至關重要。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

解決了架構級別的全局問題后，就該關注優(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的內核和內存工作電壓也已經(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，請讓用戶能夠調節(jié)亮度。

電路拓撲結構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咨詢機構，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，并擁有約翰·霍普金斯大學的系統(tǒng)工程碩士學位。

該發(fā)布文章為獨家原創(chuàng)文章，轉載請注明來源。對于未經(jīng)許可的復制和不符合要求的轉載我們將保留依法追究法律責任的權利。