對于嵌入式系統(tǒng)該如何實現(xiàn)低功耗設計

小嵌

對于嵌入式系統(tǒng)該如何實現(xiàn)低功耗設計,   

（文章來源：潤欣科技）

在嵌入式系統(tǒng)中，低功耗設計是在產品規(guī)劃以及設計過程中必須要面對的問題。半導體芯片每18個月性能翻倍。但同時，電池的技術卻跟不上半導體的步伐，同體積的電池10年容量才能翻一倍。嵌入式系統(tǒng)對于使用時間以及待機時間的要求也越來越高，這就需要在設計產品的時候充分考慮到整個系統(tǒng)的低功耗設計。功耗控制是一個系統(tǒng)的工程，需要從低功耗的器件選型、硬件的低功耗設計與制造技術、軟件的低功耗優(yōu)化等多個方面來統(tǒng)籌考慮。作者就在潤欣科技工作期間服務過的項目，總結從以上多個角度來闡述嵌入式系統(tǒng)中低功耗設計要點。

隨著半導體工藝的不斷發(fā)展，半導體的制造工藝也在不斷進步，選用先進工藝以及低功耗設計的元器件可以從源頭上降低整個系統(tǒng)的功耗。主控芯片的選型要充分考慮到系統(tǒng)的使用場景，對于那些運算任務比較多的應用場景下，可以選用能耗比高的芯片來設計，比如像ambiq的Apollo系列芯片，該芯片采用具有專利的SPOT技術，芯片在亞閾值穩(wěn)定運行，可減少能源消耗近13倍，實現(xiàn)極致的低功耗技術。

  

對于嵌入式系統(tǒng)，電源芯片對于低功耗設計是一個很重要的器件。電源芯片自身的功耗以及轉換效率在很大程度影響電池的使用時間。進行低功耗的穩(wěn)壓電路設計，需采用低功耗的LDO或者DCDC芯片，如TI的TPS797系列，自身功耗僅1．2uA。

在滿足功能需求的情況下，盡量選用帶觸發(fā)輸出功能外部器件而非需要輪詢的外部器件，這樣可以減少MCU的運行時間，平時MCU可以一直處于睡眠狀態(tài)下，在滿足觸發(fā)條件時有外部器件通過中斷喚醒MCU工作。對外圍元器件的電源控制，采用帶關斷功能的器件，進入低功耗模式下不需要工作的外設，可以使用MOS管電路配合MCU控制對局部的電路進行電源管理。在該設備不需要工作時，盡量關斷該部分電源，以達到更低的功耗。

多級電壓設計，電壓和功耗有著密切的聯(lián)系。因此功耗的降低可以考慮對于不同的電路模塊，使用不同的電壓等級，可以采用DVFS動態(tài)電壓頻率技術，通過將不同電路模塊的工作電壓及工作頻率降低到恰好滿足系統(tǒng)最低要求，來實時降低系統(tǒng)中不同電路模塊功耗的方法。

硬件設計對于MCU的每個IO口都要避免IO口漏電流。當外設掉電時，IO口仍然會有潛在的電源輸出，所以IO口需要默認配置成低電平或者高電平狀態(tài)，避免漏電流。適當?shù)慕档?u>CPU的運行頻率，降低MCU的運行速度，可以有效的降低運行時需要消耗的電流，芯片的功耗和主頻是線性的關系，更高的時鐘頻率意味著更快的MCU運行速度，那么MCU內部CMOS電路就更快的開關頻率，導致更高的運行電流和待機電流。

合理的使用MCU的待機模式，在當前沒有任務需要處理時，將MCU進入到低功耗的睡眠模式。對于使用嵌入式操作系統(tǒng)的嵌入式產品，一般都是在idle空閑任務中進入睡眠模式，但是為了進一步降低功耗，實現(xiàn)低功耗最優(yōu)設計，我們還不能直接把睡眠或者停機模式直接放在空閑任務就可以了，需要設計一種更先進的休眠機制，比如在freertos操作系統(tǒng)中使用TIckless 低功耗機制，進入空閑任務后，首先要計算可以執(zhí)行低功耗的最大時間，也就是求出下一個要執(zhí)行的高優(yōu)先級任務還剩多少時間。然后就是把低功耗的喚醒時間設置為這個求出的時間，到時間后系統(tǒng)會從低功耗模式被喚醒，繼續(xù)執(zhí)行多任務。

關注每一個GPIO口電平狀態(tài)，在進入睡眠之前配置所有的GPIO口到高電平或者低電平以降低漏電流。對于外掛的傳感器以及外圍設備，也需要在進入睡眠之前配置其功耗模式以降低消耗的電流。

合理關閉MCU內部模塊，對于在Deep Sleep模式下不需要工作的內部模塊都要關閉時鐘以及電源以節(jié)省功耗，同時要重點關注模擬IO口，模擬功能一般是耗電大戶，在AD／DA功能不使用的時候盡快關閉，減小使用模擬功能的時間。此外，芯片內部SRAM由于需要不停的刷新，在睡眠模式下也需要消耗一定的電流，可以配置部分SRAM在睡眠模式下保持刷新降低功耗。

對于包含有無線功能的芯片，配置合理的待機參數(shù)以降低功耗。如比對于BLE芯片CSR1010，在進行BLE的廣播模式下，60ms的廣播間隔的待機電流時394A，如果將廣播時間增大到1．28S，則待機電流降低到28A。對于wifi芯片，比如高通QCA4004芯片，在DTIM1情況下對應功耗是1．5mA，在DTIM10情況下則降低到334A。

嵌入式系統(tǒng)低功耗需要綜合考慮各種可能的因素、條件和狀態(tài)，需要對各種細節(jié)進行認真的斟酌和分析，需要對各種可能的方案和方法進行計算和分析，盡最大的努力優(yōu)化整個系統(tǒng)的功耗，達到最節(jié)省電能的目的。
        （責任編輯：fqj）