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大牛谈可穿戴设备能效设计的几个关键技巧

2018-12-27
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目前可穿戴电子设备市场正在快速增长,预测在2020年其市场将达到100亿美元。众所周知这些设备和电池都很小,因此我们需要进行精心的设计来保证设备的电池寿命能够长达数月或者数年时间,而不是几个小时或者几天时间。这意味着我们需要关注从时钟启动到MOSFET开关切换操作之间所发生的每个细节。以下列举了几点对电池电量的计算精确到了每一分钟,尽管有些想法对于节能的效果很小,但是有些却很明显。俗话说不积跬步无以至千里,方法多了对于节能的效果还是非常可观的。


睡眠模式

假设一个设备实际上不能够完全的关闭,那么对于节能最有效的策略可能就是让设备尽可能的处于低功耗睡眠状态。很明显我们需要设置时间或者事件(如中断)来将设备唤醒,如按下按钮或者是肢体的运动。你可以通过多个参数来设置设备唤醒的频率以及唤醒后的操作,你也可以设置动态睡眠间隔,每次睡眠时间根据具体情况而定。例如对于一个健康监测器,当我们活动的时候需要频繁的监测和记录相关数据,但是当活动变慢或者停止,监测的时间间隔可以适当增加,这样可以节省电池电量。


Inter-IC通信

与SPI方式不同的是I2C方式需要设计上拉电阻,这样就增加了电能消耗。IC之间的管脚电容也会消耗电能,如果可能的话你应该尽量降低要传输的数据量。如果有四条通信线路,每个线路管脚电容5pF,电压3.3V,运行频率20MHz,仅管脚电容就将占据660μA电流(电流=0.5CVf,C是管脚电容,V是电压,f是频率),该管脚电容将是发送和接收的所有组合IC电容。这个电能与实际的IC电流相比可能是小巫见大巫,但是并非总是如此,这还与设备的功能有关。这也正说明了为什么高集成芯片是最高效的,对于外设、RAM和Flash的访问都是在芯片内部完成的,这样就有效的避免了管脚电容。最后大部分管脚电容都是由ESD保护二极管引起的。


电源效率

想要最大化效率,那么为开关电源选择一个合适的开关稳压器就是其关键因素,特别是同步稳压器效率可能超过95%。当然不仅是总体效率,待机效率也是非常重要的,因此非常有必要了解设备不同模式下的电流,计算不同电流等级下的开关稳压器效率之后确定不同模式对总体功耗的影响。目前市场上有一些非常不错的稳压器,例如Analog Device ADP5301降压稳压器,其无负载静态电流可低至180nA,而且支持迟滞工作模式。在低负载时切换为短脉冲借助外部电感为输出电容充电,然后恢复为静态电流工作模式。根据输入和输出电压在1μA电流时,低静态电流可以帮你提高效率高达80%。当然实际中效果可能会低于这个值,但是效率依然高于40%。它提供的电流可高达0.5A,并且有一个可以借助外部固定电阻设置输出的管脚。老式稳压器在无负载时就消耗几毫安的电流,因此这款稳压器还是相当不错的。


如果你正在使用的开关稳压器有外部MOSFET,注意MOSFET开关时间会造成严重的损耗。从非导通到导通之间的转换是开关MOSFET消耗功率最大的时刻。当它完全打开时电压降通常会非常小因此功率损耗也会很低,然而非完全开启会导致明显的压降,并且伴随非常大的电流。因此如果你想将晶体管在这个状态的时间最小化,你需要选用快速开关器件和低栅极电容,而且你还需要一个低导通(ON)电阻。


电源关闭

如果在睡眠模式下将电源关闭看你能否将电源电容保持很小,电容需要消耗电源进行充电,如果在睡眠模式下将电源关闭那么电容中存储的能量就会被浪费掉(除非下次启动时能量依然保存在那里)。举个例子,在3.3V的电源电路中一个1μF电容每秒关闭100次将消耗165μA(计算公式同上)。很多IC在关闭或者睡眠模式下的功耗则更低,因此在睡眠状态下保持电路供电似乎是更好的选择,而不是将电源直接关闭。但是以下情况除外,就是你用的器件没有睡眠模式或者睡眠模式下的电流不是很低。如果你使用100nF的电容替代1μF的电容将会节省很多能量。


低电源电压

即使设备消耗的电流不低,但是在更低电压条件下设备消耗的功率也会有所降低。如果一个微控制器是由1.8V驱动而不是3.3V,那么在相同电流下功耗会降低为一半。通常情况下数字设备在低电压情况下也会消耗更低的电流,因此就进一步降低了功耗。请注意这时最大时钟频率也相应的降低了——在较低电压情况下最大时钟频率也相应降低是正常现象。因此尽管电流降低了,但是运行微控制器代码的时间确翻倍了。


举个例子,Microchip nanoWatt XLP PIC24F16KA102微控制器驱动电压是3.3V,运行频率2MHz,消耗电流695μA,而在1.8V情况下只需要消耗电流363μA,功耗减少了70%——节能效果很明显。然而在3.3V条件下微控制器的运行频率是32MHz,而在1.8V条件下最大时钟频率也只有8MHz。


时钟频率

选择适合应用的时钟频率,而不是最快的就是最好的。等到代码运行完毕后我们可能才会知道哪个频率才是合适的,大多数微控制器都有可调节的时钟倍频器,可以根据应用程序代码来改变时钟频率。如果微控制器代码是执行代码和返回进入睡眠模式之间的限制因素,那么最快的时钟可能是最高效的。然而一些其他操作实际上会降低速度,微控制器会“标记时间”进入睡眠状态,我们可以通过定期的中断来将微控制器唤醒。


另一种方法是,当处理器处于“等待”状态时我们可以显著降低运行时钟频率,当有事情做时再回到原来的时钟频率。理想情况下我们应该选择睡眠模式,但是时钟启动和等待时钟稳定期间会浪费功耗,因此这意味着在某些情况下睡眠模式并不是最好的选择。


时钟启动

在等待系统时钟稳定的过程中会浪费一些功耗,如果代码能够在时钟建立期间就可以运行那么就会带来一些改善,但是如果某部分电路需要稳定精确的时钟,那么处理器不得不等待,这就导致能量浪费。因此某些微控制器生厂商设置了快速时钟,实现快速启动并稳定。


32位微控制器

每个设计都需要采用32位控制器吗?它们好像已经渗入到各个方面,但是实际负责的工作却没那么多。采用16位或者8位控制器可能更加的高效。这取决于运行的代码和编译器的效率。如果使用蓝牙或者网络接口,那么更大的存储器空间是必需的,应该采用16位或者32位处理器。采用TCP/IP协议的Web服务器需要使用32位处理器。编写好的代码可以降低资源消耗和功率消耗。


支持更大数据带宽的处理器在很多方面消耗的功率都比较多。访问32位的RAM和Flash比访问16位的存储空间所消耗的功率更高,而且越大的存储空间漏电流也会随之增加。这需要我们设计和编写高效的代码结构以及避免选择那些拥有多余存储空间的处理器,在存储容量够用的前提下将其降到最低。


射频(RF)功耗

如果存在RF无线接口,如智能蓝牙,我们需要考虑到传输距离。不仅可以通过低功耗发射来节省功耗,而且接受部分可以设置可调节的灵敏度,当灵敏度较低时所需的功耗也会降低。举个例子,Nordic Semiconductor nRF52832在高灵敏度时消耗电流10.9mA,而在正常灵敏度时只消耗6.1mA。


自定义IC

最根本的低功耗解决方案可能是采用完全自定义IC芯片,仅设计所必需的电路。无需驱动片外设备的电路消耗的功耗更少,然而对于开发一款产品而言这是最慢也是最贵的方式。这可能就是为什么康斯登(Frederique Constant)智能手表电池寿命能够长达2到3年而Fitbit Flex智能手环却只能持续3到5天的原因吧。


总结

当我们设计一个低功耗系统时有很多方面需要考虑,我们应该设计一个电子表格,列举出系统所需要的所有部件,电流消耗,占空比要求,电压和总功率消耗。对于每个具体设计大体计算出功率消耗,找出某些必备信息的唯一方法就是实际动手搭建一个系统并且进行相应测试。


作者介绍

Chris Francis


贸泽电子专栏作家,是本科电子专业毕业,有36年电子行业相关经验,大部分时间作为模拟电路和自定义IC自由设计者,设计领域包括工业、医疗、航空和消费电子产品。


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