低功耗嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考量：一般設(shè)計(jì)考量

在我們的生活中，充滿著數(shù)量不斷增長的微型電池供電設(shè)備及系統(tǒng)。這些嵌入式系統(tǒng)必須長期使用相同的電源供電，才能降低反復(fù)出現(xiàn)的維護(hù)成本或避免最終用戶頻繁更換電源。

本文將介紹設(shè)計(jì)低功耗系統(tǒng)的各種考量及其利弊權(quán)衡。及早規(guī)劃可以在優(yōu)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低功耗的同時(shí)，減少對返工和/或代碼重新編寫的需求。這些考量包括：

1. 應(yīng)用層面的低功耗設(shè)計(jì);

2. 了解功耗與性能之間的利弊權(quán)衡;

3. 使用可優(yōu)化功耗的軟硬件技巧。

嵌入式應(yīng)用中的功耗因素

任何給定系統(tǒng)中的功耗都可分為兩大類：

i. 靜態(tài)功耗：靜態(tài)功耗指器件在未運(yùn)行代碼、等待特定事件觸發(fā)系統(tǒng)喚醒至工作模式時(shí)所消耗的電源。靜態(tài)功耗的主要包括系統(tǒng)中流過的漏電流、模擬偏差、不能關(guān)閉的模塊以及運(yùn)行RTC、看門狗定時(shí)器和中斷控制器等獨(dú)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. 動態(tài)功耗：系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，CPU執(zhí)行程序代碼時(shí)所消耗的電源稱為動態(tài)功耗。系統(tǒng)的動態(tài)電流取決于工作頻率、電壓以及有關(guān)總線與電路設(shè)計(jì)的寄生電容。計(jì)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)與動態(tài)功耗的圖形表達(dá)：

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(tǒng)類型。

晶體管中的動態(tài)功耗發(fā)生在電壓轉(zhuǎn)換過程中。在這些轉(zhuǎn)換過程中，CMOS對會進(jìn)入某個(gè)狀態(tài)，在該狀態(tài)下CMOS對的器件均部分開啟，充當(dāng)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。這就是為什么動態(tài)功耗與電路中的開關(guān)頻率成正比的原因所在。因此在定義低功耗嵌入式系統(tǒng)時(shí)，它是最根本的注意事項(xiàng)之一，即要盡量減少系統(tǒng)的開關(guān)事件。

1. 硬件考量：

a. 電池類型：

在嵌入式應(yīng)用中主要有以下類型的電池：

i. )標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用而言，為系統(tǒng)充電不是合理的使用案例模型。這里無需為這些應(yīng)用使用可充電電池。我們來比較一下另外兩種在低功耗應(yīng)用中有用的電池以及在為設(shè)計(jì)選擇電池時(shí)需考慮的因素。

標(biāo)準(zhǔn)堿性電池：標(biāo)準(zhǔn)AA電池的典型容量大約為1500mAh，不僅可輕松提供數(shù)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(yīng)用提供高峰值電流，因此系統(tǒng)能夠在并列使用其全部專用外設(shè)(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(yùn)行，從而可在盡快完成各項(xiàng)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(nèi)部電阻，因此不能承受高峰值電流。在應(yīng)用超過20mA的峰值電流時(shí)，即便持續(xù)時(shí)間很短，其有效電壓也會大幅下降。因此對于使用鈕扣電池供電的設(shè)計(jì)而言，強(qiáng)烈建議設(shè)計(jì)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(yīng)低至能避免在鈕扣電池提供高峰值電流時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)意外復(fù)位的水平。

此外，我們還需要采取預(yù)防措施來降低系統(tǒng)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

● 通過隨時(shí)分配負(fù)載，避免一次性啟用所有內(nèi)部模塊

● 在外部組件及內(nèi)部模塊未使用時(shí)，減少對它們的供電

b. 設(shè)置正確的微控制器：

要讓低功耗應(yīng)用中的靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗保持最低，最重要的是選擇具有所需外設(shè)集的微控制器，其可在所需電源模式下工作。根據(jù)需要，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yīng)用所需的外設(shè)集。

以需要LCD較長時(shí)間工作的應(yīng)用為例。通過選擇可在低功耗模式下運(yùn)行該LCD的微控制器，開發(fā)人員可最大限度降低功耗。這類微控制器的典型實(shí)例就是賽普拉斯的PSoC 4，其可讓LCD顯示器以僅3uA的流耗進(jìn)入深度睡眠模式。復(fù)雜應(yīng)用的情況類似，我們需要進(jìn)行利弊權(quán)衡，確定能以最低平均功耗完成每項(xiàng)任務(wù)的適當(dāng)微控制器。

c. 選擇合適的無源組件：

上拉電阻器和下拉電阻器是支持接口開關(guān)及I2C器件等的常用組件。有時(shí)在低功耗設(shè)計(jì)中，這些上拉及下拉電阻器消耗的電源比系統(tǒng)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)會增大RC時(shí)間常數(shù)，因此會降低系統(tǒng)對高頻率信號的響應(yīng)能力。

例如，為I2C線路使用高阻值上拉電阻器會降低I2C通信的速度，因?yàn)樵龃罅薎2C線路的壓擺率。因此這些電阻器值可決定影響最終設(shè)計(jì)的各種因素之間的權(quán)衡取舍。

同樣，在為設(shè)計(jì)選擇電容器時(shí)，應(yīng)避免電解電容器，因?yàn)樗鼈兙哂袠O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(tǒng)設(shè)計(jì)。