低功耗嵌入式系統的設計考量：一般設計考量

在我們的生活中，充滿(mǎn)著(zhù)數量不斷增長(cháng)的微型電池供電設備及系統。這些嵌入式系統必須長(cháng)期使用相同的電源供電，才能降低反復出現的維護成本或避免最終用戶(hù)頻繁更換電源。

本文將介紹設計低功耗系統的各種考量及其利弊權衡。及早規劃可以在優(yōu)化系統實(shí)現低功耗的同時(shí)，減少對返工和/或代碼重新編寫(xiě)的需求。這些考量包括：

1. 應用層面的低功耗設計;

2. 了解功耗與性能之間的利弊權衡;

3. 使用可優(yōu)化功耗的軟硬件技巧。

嵌入式應用中的功耗因素

任何給定系統中的功耗都可分為兩大類(lèi)：

i. 靜態(tài)功耗：靜態(tài)功耗指器件在未運行代碼、等待特定事件觸發(fā)系統喚醒至工作模式時(shí)所消耗的電源。靜態(tài)功耗的主要來(lái)源包括系統中流過(guò)的漏電流、模擬偏差、不能關(guān)閉的模塊以及運行RTC、看門(mén)狗定時(shí)器和中斷控制器等獨立代碼的模塊。該電流與器件的工作電壓成正比。工作電壓越高，漏電流就越大;

ii. 動(dòng)態(tài)功耗：系統處于工作狀態(tài)，CPU執行程序代碼時(shí)所消耗的電源稱(chēng)為動(dòng)態(tài)功耗。系統的動(dòng)態(tài)電流取決于工作頻率、電壓以及有關(guān)總線(xiàn)與電路設計的寄生電容。計算方法為：

P = V2 * f * C

V為電壓、f為工作頻率、C為輸出端的寄生電容

靜態(tài)與動(dòng)態(tài)功耗的圖形表達：

對于任何給定的晶體管，其靜態(tài)功耗在給定電源電壓下基本上是恒定的。靜態(tài)功耗源于漏電流(CMOS電路)或偏置電流(工作模擬電路)，主要取決于系統類(lèi)型。

晶體管中的動(dòng)態(tài)功耗發(fā)生在電壓轉換過(guò)程中。在這些轉換過(guò)程中，CMOS對會(huì )進(jìn)入某個(gè)狀態(tài)，在該狀態(tài)下CMOS對的器件均部分開(kāi)啟，充當電阻器，從而可形成一種分壓器電路。這種虛擬分壓器電路消耗的電源要比所定義邏輯電平下的漏電流高很多。這就是為什么動(dòng)態(tài)功耗與電路中的開(kāi)關(guān)頻率成正比的原因所在。因此在定義低功耗嵌入式系統時(shí)，它是最根本的注意事項之一，即要盡量減少系統的開(kāi)關(guān)事件。

1. 硬件考量：

a. 電池類(lèi)型：

在嵌入式應用中主要有以下類(lèi)型的電池：

i. )標準堿性電池

iii. )可充電電池: 可充電堿性電池，鋰離子電池

iii. )鈕扣電池

對于各種廣泛低功耗嵌入式應用而言，為系統充電不是合理的使用案例模型。這里無(wú)需為這些應用使用可充電電池。我們來(lái)比較一下另外兩種在低功耗應用中有用的電池以及在為設計選擇電池時(shí)需考慮的因素。

標準堿性電池：標準AA電池的典型容量大約為1500mAh，不僅可輕松提供數百mA的峰值電流，而且還能夠以50mA的恒定速率放盡電流。

堿性電池能為應用提供高峰值電流，因此系統能夠在并列使用其全部專(zhuān)用外設(定時(shí)器與通信模塊等)的同時(shí)，在其最高時(shí)鐘頻率下運行，從而可在盡快完成各項任務(wù)后，快速進(jìn)入低功耗工作模式。

鈕扣電池：鈕扣電池具有極高的內部電阻，因此不能承受高峰值電流。在應用超過(guò)20mA的峰值電流時(shí)，即便持續時(shí)間很短，其有效電壓也會(huì )大幅下降。因此對于使用鈕扣電池供電的設計而言，強烈建議設計使用能在2V或以下電壓下工作的組件。微控制器的掉電電壓應低至能避免在鈕扣電池提供高峰值電流時(shí)系統出現意外復位的水平。

此外，我們還需要采取預防措施來(lái)降低系統所需的峰值電流。降低峰值電流的途徑包括：

● 降低CPU時(shí)鐘頻率

● 通過(guò)隨時(shí)分配負載，避免一次性啟用所有內部模塊

● 在外部組件及內部模塊未使用時(shí)，減少對它們的供電

b. 設置正確的微控制器：

要讓低功耗應用中的靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗保持最低，最重要的是選擇具有所需外設集的微控制器，其可在所需電源模式下工作。根據需要，系統設計人員可選擇合適的微控制器，該微控制器支持低功耗模式下其應用所需的外設集。

以需要LCD較長(cháng)時(shí)間工作的應用為例。通過(guò)選擇可在低功耗模式下運行該LCD的微控制器，開(kāi)發(fā)人員可最大限度降低功耗。這類(lèi)微控制器的典型實(shí)例就是賽普拉斯的PSoC 4，其可讓LCD顯示器以?xún)H3uA的流耗進(jìn)入深度睡眠模式。復雜應用的情況類(lèi)似，我們需要進(jìn)行利弊權衡，確定能以最低平均功耗完成每項任務(wù)的適當微控制器。

c. 選擇合適的無(wú)源組件：

上拉電阻器和下拉電阻器是支持接口開(kāi)關(guān)及I2C器件等的常用組件。有時(shí)在低功耗設計中，這些上拉及下拉電阻器消耗的電源比系統其它部分還大。要降低其功耗，需要使用更大的電阻值。這樣可降低流經(jīng)它們的電流量。但它同時(shí)會(huì )增大RC時(shí)間常數，因此會(huì )降低系統對高頻率信號的響應能力。

例如，為I2C線(xiàn)路使用高阻值上拉電阻器會(huì )降低I2C通信的速度，因為增大了I2C線(xiàn)路的壓擺率。因此這些電阻器值可決定影響最終設計的各種因素之間的權衡取舍。

同樣，在為設計選擇電容器時(shí)，應避免電解電容器，因為它們具有極高的漏電流。薄膜電容器和陶瓷電容器能以合理的成本提供超低的漏電流，可考慮用于低功耗系統設計。