設(shè)計(jì)超低功耗的嵌入式應(yīng)用：如何降低電池功耗

　　考慮到我們今天所生活的時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)的便攜性是十分關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮因素。便攜式系統(tǒng)通常用電池供電，而電池使用壽命取決于系統(tǒng)的功耗。在提倡“綠色環(huán)保”計(jì)劃的今天，即便是市電供電的應(yīng)用也要把功耗作為一項(xiàng)重要的產(chǎn)品選擇標(biāo)準(zhǔn)。

　　便攜式設(shè)備通常分為使用充電電池供電的設(shè)備和使用非充電電池供電的設(shè)備。如果應(yīng)用使用的是非充電電池，那么電池使用壽命將是至關(guān)重要的規(guī)范要求。對(duì)于任何應(yīng)用而言，電池使用壽命取決于：

　　●所用電池的可用電荷量

　　●應(yīng)用的平均電流消耗

　　使用充電電池的應(yīng)用還要考慮到另一個(gè)參數(shù)，那就是電池充電的頻率和每次充電所花的時(shí)間。從最簡(jiǎn)單的角度說(shuō)，延長(zhǎng)電池使用壽命可通過(guò)提高電池容量或降低應(yīng)用的平均電流消耗來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于電池重量過(guò)大會(huì)影響系統(tǒng)的機(jī)械約束和成本，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員只能將電池電量提高到一個(gè)限值。在電池化學(xué)技術(shù)的全新發(fā)展不斷提高電池電荷密度的同時(shí)，我們還亟需想辦法繼續(xù)降低平均功耗。

　　應(yīng)用的平均功耗取決于：

　　●每個(gè)電路組件的功耗

　　●應(yīng)用的供電方案以及電力如何通過(guò)柵極輸送到設(shè)計(jì)的各個(gè)部分

　　●設(shè)計(jì)中的各個(gè)組件是如何在不同的工作條件下工作的

　　每個(gè)組件的功耗可從各組件的器件數(shù)據(jù)表獲得。了解每個(gè)組件的功耗拆分信息非常重要，這有助于設(shè)計(jì)出色的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)低功耗優(yōu)化。

　　不妨來(lái)設(shè)想一個(gè)簡(jiǎn)單的小型電池供電數(shù)字時(shí)鐘。該設(shè)備可用于計(jì)時(shí)，并在按下按鍵時(shí)能顯示當(dāng)前時(shí)間。設(shè)備通常處于斷電模式以節(jié)電，只有在檢測(cè)到按鍵動(dòng)作時(shí)才會(huì)被喚醒并刷新顯示屏。顯示屏和主電路在工作一段時(shí)間后會(huì)返回?cái)嚯娔Ｊ揭怨?jié)電。該系統(tǒng)的高層次方框圖參見(jiàn)圖1。

　　圖1：小型數(shù)字時(shí)鐘的高層次方框圖

　　電路采用RTC計(jì)時(shí)，用主控制器芯片與RTC通信，并管理顯示屏界面。整個(gè)系統(tǒng)大部分時(shí)間處于斷電狀態(tài)，顯示屏關(guān)閉，主控制器也處于斷電模式，這樣電流消耗可降到最低，所有外設(shè)都關(guān)閉。按鍵則作為喚醒設(shè)備的觸發(fā)器，以獲取RTC數(shù)據(jù)并在顯示屏(通常為L(zhǎng)CD)上進(jìn)行顯示。

　　要分析這種系統(tǒng)的功耗，要看的第一個(gè)數(shù)據(jù)就是設(shè)備和顯示屏都處在斷電模式下的典型平均電流是多少。應(yīng)查看每個(gè)外設(shè)和控制器的數(shù)據(jù)表，以了解功耗數(shù)據(jù)。為了最大限度地降低功耗并延長(zhǎng)電池使用壽命，應(yīng)做到給所有不使用的外設(shè)斷電。在本應(yīng)用中，這個(gè)不使用的外設(shè)就是顯示屏。與顯示屏形成對(duì)比的是，RTC需要始終進(jìn)行供電，以實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能。

　　MCU通常是大多數(shù)系統(tǒng)中總功耗的主要來(lái)源。這一點(diǎn)同樣適用于本案例中的應(yīng)用，如果不能選擇并適當(dāng)使用正確的MCU時(shí)尤為如此。有很多辦法可降低MCU的功耗，包括但不限于：

　　1. 降低工作頻率

　　2. 以更低的工作電壓運(yùn)行

　　3. 使用低功耗工作模式

　　MCU能在各種工作頻率上運(yùn)行。然而，不同器件支持的頻率各不相同。MCU的功耗與工作頻率成正比，隨著頻率的升高，動(dòng)態(tài)功耗也會(huì)升高。因此，MCU應(yīng)該以盡可能低的頻率運(yùn)行，同時(shí)能夠可靠地滿足系統(tǒng)的需求。

　　此外，頻率也與時(shí)鐘源有關(guān)。設(shè)備支持各種時(shí)鐘源選項(xiàng)，包括內(nèi)部高速振蕩器、內(nèi)部低速振蕩器、外部晶體振蕩器等。在大多數(shù)情況下，外部晶體可提高精確度，但代價(jià)是功耗較高。選擇低功耗時(shí)鐘源，往往要權(quán)衡速度和精確度。為選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘源，確保系統(tǒng)性能和功耗的完美平衡，應(yīng)該認(rèn)真研究系統(tǒng)要求。

　　大多數(shù)MCU支持低功耗工作模式，從而滿足低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。同樣，支持模式的數(shù)量以及每種模式的特性根據(jù)器件會(huì)有所不同。應(yīng)適當(dāng)使用低功耗模式，以降低平均功耗。常見(jiàn)的模式包括：

　　●工作模式：MCU正常運(yùn)行。

　　●較低功耗模式：時(shí)鐘經(jīng)門(mén)控后送至MCU，保持各種寄存器和RAM的狀態(tài)。

　　●最低功耗模式：包括MCU在內(nèi)的所有外設(shè)都斷電。

　　當(dāng)時(shí)鐘經(jīng)門(mén)控后送至MCU時(shí)，功耗就是靜態(tài)功耗。靜態(tài)功耗取決于幾個(gè)因素，包括亞閾值條件和FET中的隧道電流等。此外，隧道電流在小型芯片設(shè)計(jì)的FET縮減時(shí)會(huì)成為主要因素(即尺寸減小使得氧化物的厚度減小)。

　　今天，我們已經(jīng)擁有在單芯片上實(shí)現(xiàn)完整系統(tǒng)/子系統(tǒng)高度集成的SoC。除了集成度之外，就功耗而言，這些SoC也有助于降低平均功耗，使其低于采用獨(dú)立MCU和分立外設(shè)的情況。

　　本系列文章共分三部分，在第二部分中，我們將介紹SoC以及如何提高其效率，從而有利于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低功耗。