低功耗嵌入式系统的设计考量是怎么一回事

在我们的生活中，充满着数量不断增长的微型电池供电设备及系统。这些嵌入式系统必须长期使用相同的电源供电，才能降低反复出现的维护成本或避免最终用户频繁更换电源。

本文将介绍设计低功耗系统的各种考量及其利弊权衡。及早规划可以在优化系统实现低功耗的同时，减少对返工和/或代码重新编写的需求。这些考量包括：

1. 应用层面的低功耗设计;

2. 了解功耗与性能之间的利弊权衡;

3. 使用可优化功耗的软硬件技巧。

嵌入式应用中的功耗因素

任何给定系统中的功耗都可分为两大类：

i. 静态功耗：静态功耗指器件在未运行代码、等待特定事件触发系统唤醒至工作模式时所消耗的电源。静态功耗的主要包括系统中流过的漏电流、模拟偏差、不能关闭的模块以及运行RTC、看门狗定时器和中断控制器等独立代码的模块。该电流与器件的工作电压成正比。工作电压越高，漏电流就越大;

ii. 动态功耗：系统处于工作状态，CPU执行程序代码时所消耗的电源称为动态功耗。系统的动态电流取决于工作频率、电压以及有关总线与电路设计的寄生电容。计算方法为：

P = V2 * f * C

V为电压、f为工作频率、C为输出端的寄生电容

静态与动态功耗的图形表达：

对于任何给定的晶体管，其静态功耗在给定电源电压下基本上是恒定的。静态功耗源于漏电流（CMOS电路）或偏置电流（工作模拟电路），主要取决于系统类型。

晶体管中的动态功耗发生在电压转换过程中。在这些转换过程中，CMOS对会进入某个状态，在该状态下CMOS对的器件均部分开启，充当电阻器，从而可形成一种分压器电路。这种虚拟分压器电路消耗的电源要比所定义逻辑电平下的漏电流高很多。这就是为什么动态功耗与电路中的开关频率成正比的原因所在。因此在定义低功耗嵌入式系统时，它是最根本的注意事项之一，即要尽量减少系统的开关事件。

1. 硬件考量：

a. 电池类型：

在嵌入式应用中主要有以下类型的电池：

i. ）标准碱性电池

iii. ）可充电电池： 可充电碱性电池，锂离子电池

iii. ）钮扣电池

对于各种广泛低功耗嵌入式应用而言，为系统充电不是合理的使用案例模型。这里无需为这些应用使用可充电电池。我们来比较一下另外两种在低功耗应用中有用的电池以及在为设计选择电池时需考虑的因素。

标准碱性电池：标准AA电池的典型容量大约为1500mAh，不仅可轻松提供数百mA的峰值电流，而且还能够以50mA的恒定速率放尽电流。

碱性电池能为应用提供高峰值电流，因此系统能够在并列使用其全部专用外设（定时器与通信模块等）的同时，在其最高时钟频率下运行，从而可在尽快完成各项任务后，快速进入低功耗工作模式。

钮扣电池：钮扣电池具有极高的内部电阻，因此不能承受高峰值电流。在应用超过20mA的峰值电流时，即便持续时间很短，其有效电压也会大幅下降。因此对于使用钮扣电池供电的设计而言，强烈建议设计使用能在2V或以下电压下工作的组件。微控制器的掉电电压应低至能避免在钮扣电池提供高峰值电流时系统出现意外复位的水平。

此外，我们还需要采取预防措施来降低系统所需的峰值电流。降低峰值电流的途径包括：

● 降低CPU时钟频率

● 通过随时分配负载，避免一次性启用所有内部模块

● 在外部组件及内部模块未使用时，减少对它们的供电

b. 设置正确的微控制器：

要让低功耗应用中的静态功耗和动态功耗保持最低，最重要的是选择具有所需外设集的微控制器，其可在所需电源模式下工作。根据需要，系统设计人员可选择合适的微控制器，该微控制器支持低功耗模式下其应用所需的外设集。

以需要LCD较长时间工作的应用为例。通过选择可在低功耗模式下运行该LCD的微控制器，开发人员可最大限度降低功耗。这类微控制器的典型实例就是赛普拉斯的PSoC 4，其可让LCD显示器以仅3uA的流耗进入深度睡眠模式。复杂应用的情况类似，我们需要进行利弊权衡，确定能以最低平均功耗完成每项任务的适当微控制器。

c. 选择合适的无源组件：

上拉电阻器和下拉电阻器是支持接口开关及I2C器件等的常用组件。有时在低功耗设计中，这些上拉及下拉电阻器消耗的电源比系统其它部分还大。要降低其功耗，需要使用更大的电阻值。这样可降低流经它们的电流量。但它同时会增大RC时间常数，因此会降低系统对高频率信号的响应能力。

例如，为I2C线路使用高阻值上拉电阻器会降低I2C通信的速度，因为增大了I2C线路的压摆率。因此这些电阻器值可决定影响最终设计的各种因素之间的权衡取舍。

同样，在为设计选择电容器时，应避免电解电容器，因为它们具有极高的漏电流。薄膜电容器和陶瓷电容器能以合理的成本提供超低的漏电流，可考虑用于低功耗系统设计。

来源：电子产品世界