Nordic功耗详解

以瓦(通常是毫瓦，mW)为单位的功耗是低功率应用的正确术语，但通常会使用以安培(通常是毫安，mA)为单位测量的电流消耗。由于功率就是工作电压乘以电流，这对于固定运行电压来说无所谓，但当使用电池放电时，电压会随着时间和负载条件的变化而变化时，就变得更加难以估计。

功耗通常不是最重要的

通常以焦耳(通常为微焦耳，μJ)为单位测量的能耗决定了完成特定任务实际从电池中消耗了多少电量。能耗是功耗与执行操作所需时间的积分。同样，对于静态信号，能耗是功耗和时间的简单相乘，但对于变化的信号，将需要更复杂的计算。

功耗最有意义之处是在使用电流受限的电源时，如锂离子纽扣电池。这种电池在小型传感器设备和智能设备中备受欢迎，但只能提供大约几个毫安电流峰值而不会损坏。如果您拉取更高的峰值电流，可能会永久性地降低电池的容量，也可能会影响输出电压。对于有足够电流支持峰值电流的应用来说，峰值功耗将不是问题。

细节决定成败

产品数据表通常给出MCU(微控制器)不同组件和运行条件下的功耗。这些数字很容易测量，并且已经以这种方式呈现了几十年。但直到最近，我们才开始看到设备的能耗数据。

部分问题在于，测量静态电流或峰值电流很容易实现。所有标准硬件都支持这一点，在早期它提供了更大的价值。同样容易理解的是，要运行CPU、串行总线或其他硬件模块(如无线电)，您又额外需要一定毫安的电流。

您无需穿越到很久以前，就能找到这样设计的设备，这种信息可以让您对给定场景的能耗进行合理的估计。您可以估算CPU在给定时间内保持唤醒状态的能耗，或者通过UART或使用无线电发送或接收数据的能耗。

使用现代MCU，可以同时启用的功能组合已经增长到惊人的数量，因此不可能在一个数据表中涵盖所有这些组合。这使得能够轻松地测量这些场景变得越来越重要。

使用数字门降低功耗

随着每年推出的器件尺寸不断缩小，数字门变得越来越便宜，这推动了更复杂的节能设计。例如，过去大多数MCU的设计方式是将时钟分布到整个设备，现在已经被更精细的门控时钟解决方案所取代。

这极大地降低了功耗，也使得以一种可能估算能耗的方式记录电力消耗变得越来越困难。随着设备的功耗变得越来越动态，它将根据特定时间的活动内容而变化。采用更激进的能效设计的设备将看到更动态的功率消耗。

来自真实世界的示例

在Nordic Semiconductor nRF52和nRF53系列芯片中，调节器、振荡器和数字逻辑等功能模块可以根据需要在后台启动和停止。功耗瞬息万变，因此没有“静态”数据可以测量。

当使用TWI主设备时，数据传输时的功耗可能由几个µA上升到几百µA。如果主机必须等待外部设备的数据准备好，那么功耗将上升到不同水平，并且部分TWI设备将在空闲时关闭。

预测能耗的复杂性增加了，但与此同时，能效得到了很大的提升。

估算这些系统能耗的一种方法是制作更小型的测试软件，然后使用合适的工具对其进行功率分析，以建立与您的需求相匹配的模型。Nordic Semiconductor Online Power Profiler采用从实际测量中收集的数据来运行无线电，然后从中提取数据来对能耗进行估计。

审核编辑 黄宇