低功耗產(chǎn)品的關(guān)鍵組件是設(shè)計師

Arm ? Cortex ? -M33 處理器是無線系統(tǒng)設(shè)計人員的熱門選擇，他們希望從其物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的受限功率預(yù)算中榨出最后一毫瓦。那是因為它提供高性能，同時消耗很少的能量。

Arm 是一家知識產(chǎn)權(quán) (IP) 供應(yīng)商，將其處理器專有技術(shù)出售給芯片制造商，然后芯片制造商將設(shè)計作為獨(dú)立處理器或作為片上系統(tǒng) (SoC) 的一部分嵌入到自己的硬件中。設(shè)計的最終效率當(dāng)然取決于硬件實現(xiàn)，但根據(jù) Cortex-M33 的 Arm 數(shù)據(jù)表，當(dāng)處理器運(yùn)行時預(yù)計每兆赫茲 10 微瓦左右的功耗并不是不合理的。而且這不會影響性能；這是一個非常強(qiáng)大的設(shè)備。（對于有技術(shù)頭腦的人來說，Cortex-M33 擁有 4.02 CoreMark/兆赫茲）。

為支持低功耗 無線設(shè)計中的嵌入式處理器而提供的組件帶來了類似的效率水平。例如，考慮Bluetooth?中的收音機(jī)LE 或 Zigbee SoC。就在不久前，這些設(shè)備在通過無線鏈路發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時消耗了幾十毫瓦的功率。當(dāng)您只有很少的功率預(yù)算并且用戶期望電池壽命長達(dá)數(shù)月時，這是一個巨大的數(shù)目。當(dāng)今最先進(jìn)的短程無線 SoC 事半功倍，提供比上一代產(chǎn)品更大的范圍和吞吐量，而功耗僅為幾毫瓦。通過設(shè)計、材料和制造方面的進(jìn)步，處理器、內(nèi)存、無線電、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、線性穩(wěn)壓器 (LDO) 等的功耗與幾年前相比只是一小部分. 這使設(shè)計人員有機(jī)會顯著延長其產(chǎn)品的電池壽命或通過使用更小的電池來縮小其外形尺寸。

然而，讓任何兩名工程師使用同一盒低功耗比特為給定應(yīng)用設(shè)計解決方案，最終的設(shè)計將具有完全不同的電池壽命。而且不僅僅是百分之幾。在充分利用電池能量方面，一種設(shè)計的效率只有另一種設(shè)計的一半并不罕見。差異歸結(jié)為設(shè)計師的技能和經(jīng)驗。這使得產(chǎn)品背后的人對其功耗產(chǎn)生最重要的影響。

技術(shù)嫻熟的低功耗產(chǎn)品設(shè)計師知道什么對我們其他人來說是新聞？它歸結(jié)為硬件選擇、良好的編碼、測試和睡眠。充足的睡眠。

外圍設(shè)備是最重要的

經(jīng)驗豐富的設(shè)計人員知道，決定能耗的不僅僅是處理器、無線電和內(nèi)存等關(guān)鍵組件，外設(shè)也很重要。當(dāng)電池壽命以月為單位時，如果效率低下，即使是低被動也可以節(jié)省幾天的能量。

好的設(shè)計選擇包括具有低能量需求和靜態(tài)電流的外圍設(shè)備，這已經(jīng)不是什么新聞了。但考慮設(shè)備的使用方式也很重要。例如，考慮一個內(nèi)置加速度計；如果應(yīng)用程序只需要知道它何時被倒轉(zhuǎn)，那么最好確保這是加速度計報告其位置的唯一時間，而不是連續(xù)傳輸每個微小的運(yùn)動。

還需要注意選擇功耗最小的組件。例如，降壓/升壓穩(wěn)壓器和 LDO 在運(yùn)行期間都會消耗一些功率，因此選擇最高效的同時仍支持應(yīng)用需求非常重要。這種方法應(yīng)該擴(kuò)展到電路中不太明顯的部分。例如，當(dāng)分壓器用于降低 ADC 的電壓時，其設(shè)計應(yīng)使其通過分流電阻消耗的功率最少。另一個常見的失敗是設(shè)計信號下拉，使它們將電壓拉至地，但不會最小化電流泄漏。這是對電池能量的持續(xù)消耗，從長遠(yuǎn)來看會產(chǎn)生重大影響。

好的代碼可以節(jié)省能源

一旦電路組裝好，重要的是所有元件始終以盡可能低的能耗水平運(yùn)行。這并不是說應(yīng)該經(jīng)常關(guān)閉東西，因為這樣啟動周期會花費(fèi)太長時間并影響用戶體驗。但大多數(shù)現(xiàn)代低功耗組件都具有各種待機(jī)和睡眠模式，在這些模式下，能耗可以忽略不計，但啟動延遲很低。熟練的設(shè)計人員使用這些功能來確保組件不會消耗能量，除非它們確實需要。

此外，有經(jīng)驗的工程師會檢查他或她的代碼以查找可能產(chǎn)生不必要功耗的觸發(fā)器或中斷。為了讓他們的生活更輕松，這些工程師通常會構(gòu)建他們的代碼以使其易于閱讀。這樣可以更快地發(fā)現(xiàn)代碼行，例如，在不需要外圍設(shè)備時啟動外圍設(shè)備，或者在執(zhí)行任務(wù)后無法讓它們進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

一旦消除了明顯的代碼錯誤，熟練的設(shè)計人員就會仔細(xì)檢查代碼以尋找更細(xì)微的東西，例如處理器進(jìn)入非計算等待循環(huán)——消耗功率但實際上什么也得不到——當(dāng)它可以進(jìn)入休眠狀態(tài)時。第二個問題是子系統(tǒng)確實按預(yù)期進(jìn)入睡眠狀態(tài)，但在并非絕對必要時經(jīng)常被喚醒。例如，可以設(shè)置一個計時器來喚醒處理器，這樣即使應(yīng)用程序此時不需要這些信息，它也可以讀取一些傳感器數(shù)據(jù)。

經(jīng)驗不足的設(shè)計人員常犯的另一個錯誤是忘記禁用在開發(fā)和調(diào)試期間有用但在現(xiàn)場不需要的事件日志記錄。危險在于產(chǎn)品離開工廠并在現(xiàn)場打開外圍設(shè)備以記錄永遠(yuǎn)不會使用的信息。但是將使用的是電池的能量。

檢查發(fā)生了什么

測試最終產(chǎn)品的平均電流消耗是估算電池壽命的一種簡單方法。但它可能不會講述完整的故事。設(shè)計良好的無線設(shè)備在低功耗和活動模式之間不斷變化，低占空比非常普遍。這意味著短暫的平均電流測試可能會錯過不頻繁的峰值消耗事件，這些事件可能仍會對電池壽命產(chǎn)生重大影響。

全面了解的最佳方法是使用成熟的功率分析儀詳細(xì)了解長期功耗。這樣，設(shè)計人員就可以清楚地識別低功率無線設(shè)計中常見的瞬態(tài)功率尖峰，并確保每個尖峰都與絕對必要的活動相對應(yīng)。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是功率分析儀非常昂貴、非常笨重，并且受到總工程師的嚴(yán)密保護(hù)。

有一些更便攜且更便宜的設(shè)備選項可以提供無線設(shè)備功耗的相當(dāng)詳細(xì)的視圖。一個例子是Nordic 的 Power Profiler Kit II。只需不到 100 美元，設(shè)計人員就可以使用此測試工具檢查其產(chǎn)品的功耗，然后使用運(yùn)行模擬器的免費(fèi)在線功率分析器將其與預(yù)期行為進(jìn)行比較。該估計值可以與 Power Profiler 套件的結(jié)果交叉引用，以突出顯示任何異常，然后可以更仔細(xì)地檢查這些異常以找出其原因。

結(jié)論

明天的低功耗設(shè)備將使今天的設(shè)備看起來像貪婪的怪物。但由于當(dāng)前的供應(yīng)鏈挑戰(zhàn)，它們還需要一段時間才能現(xiàn)成可用。好消息是設(shè)計師不必坐以待斃。即使是最熟練的工程師也不太可能一次就把所有事情都做對。這使得對現(xiàn)有產(chǎn)品的審查變得有價值，因為它很可能會揭示一些可以傳遞給用戶的有用的節(jié)能增強(qiáng)功能。

審核編輯黃昊宇