低功耗嵌入式设计技巧大盘点

作者： Michael Parks

设计新的电子设备常常需要进行多项权衡取舍。成本通常与性能并不一致。对于成本敏感型市场，例如面向消费者的产品，选择作为嵌入式系统核心的微控制器或微处理器，可能是最为影响性能的关键决策。影响嵌入式系统整体性能的系统特性中，经常有相互竞争的特性。在这篇博文中，我们将考虑以下几点：

·  电池续航能力
·  响应能力
·  热性能
·  无线信号范围和速度
·  外部外围组件提供的功能

需求分析

低功耗设计对于电池供电设备或依赖能量采集技术的设备至关重要。一些初步问题应包括：

·  现场维护设备的可维护性如何？是否可以更换电池？
·  工作环境如何（温度范围、湿度范围、暴露在阳光下、暴露在化学品中等）？
·  尺寸和重量限制是多少？
·  需要什么类型的通信？需要多久发送一次遥测数据？
·  预计有多少外部设备（传感器、执行器）会与我们的设备交互？它们的接口是什么？

功率预算

在了解了大致的要求之后，就要进行粗略的功率预算了。

首先，我们可以将外部设备的所有电流消耗相加。然后查看可能满足功能要求的微控制器/微处理器，并确定它们的效率。通常情况下，规格书会详细列出以uA为单位的效率，以Hz为单位的时钟速度。提前花时间研究和选择合适的MCU/MPU - 无论是在功能还是性能方面 - 将大大有助于满足设计的低功耗要求。一旦我们对预期的活动和空闲功耗有了很好的了解，就可以做一些粗略的计算，查看各种电池选项，以估计电池的续航时间。别忘了，选择正确的电池化学成分对于本次讨论至关重要。

例如，镍镉（NiCd）和镍金属（NiMH）电池在寒冷气候下不能很好地保持电量。

设计级因素

解决了架构级别的全局问题后，就该关注优化嵌入式系统功耗的设计级考虑因素了。硬件和固件需要考虑的一些设计经验法则包括：

选择尽可能低的工作电压。在最长的时间里，5V是常态，然后是3.3V。如今，2.7V和1.8V的内核和内存工作电压也已经不罕见。市场上一些嵌入式组件的电压甚至可以低至0.9V。

在不影响性能的前提下，将核心时钟速率尽可能降低。

除了尽量小的工作电压外，尽可能选择具有相同工作电压的组件，以减少对DC-DC转换器和布线多个电源轨的需求。

当心LED和液晶显示屏！它们很漂亮并且可以增加功能，但可能会非常耗电（相对于它们的实用性）。明智地添加LED。如果需要液晶显示屏，请让用户能够调节亮度。

电路拓扑结构和元器件选择会对您的功率预算产生重大影响。必要时，分压器、上拉电阻和下拉电阻可以消耗电流。确保它们是必要的，并确定它们的大小以使其兼顾效率和有效性。

不要简单地硬连线外围设备让其一直处于启用状态。而是应投入设计时间并预算MCU的GPIO引脚，以允许固件根据需要打开和关闭外围设备。

避免在代码中使用延迟或持续的传感器轮询；这会导致无用的时钟周期，它们不执行任何功能，但仍然消耗能量。建议使用任务调度程序和中断代替。

选择符合要求，但不超过要覆盖的距离的通信协议。例如，Zigbee®要比蓝牙效率更高。不需要时关闭无线电。不过请务必考虑打开无线电所需的时间。对于低功耗、低数据速率的应用来说，这应该不是什么大问题。

不要让GPIO引脚悬空。

对于具有内部上拉的GPIO引脚，非必要时请不要启用上拉。

降低I²C和SPI等通信总线的时钟速率。

模数转换中使用的电阻器和电容器会消耗相当多的能量。降低ADC读数的频率，并在读数之间关闭R-C网络。但一定要给电容器足够的时间在读取数据之前重新充电。

结语

优化功耗设计不仅仅可以延长电池续航能力。更低的功率意味着更少的热量，从而可以提高可靠性并降低热引起故障的风险。

最后，一定要验证您的设计。无论是使用廉价的USB功率计、万用表、焦耳示波器还是能量分析仪，请花点时间观察设备在实验室和现实环境中的功耗。为方便操作，请务必在电路板上放置测试点，以便可以测量电流和电压。

作者简介

专业工程师Michael Parks是Green Shoe Garage的所有者。Green Shoe Garage是一家提供定制电子设计的工作室和技术咨询机构，位于马里兰州南部。Michael Parks创办了《S.T.E.A.M. Power Podcast》播客来提升公众对科技的认知。他拥有马里兰州专业工程师资质，并拥有约翰·霍普金斯大学的系统工程硕士学位。