基于功耗敏感性的降低嵌入式电路功耗方法论文_张敬明,曾庆钊

基于功耗敏感性的降低嵌入式电路功耗方法论文_张敬明,曾庆钊

(天津凯发电气股份有限公司 300384)

摘要:功耗敏感性的降低嵌入式电路功耗成为研究的热点。如果把所有功能都设计好了才去考虑低功耗的问题,一个不小心,就可能要更改程序的架构,即便如此也不一定能把功耗给彻底降下去。

关键词:集成电路设计;嵌入式微控制器;超低功耗;选型技巧

1前言

循序渐进式的功耗优化已经不再是超低功耗MCU的游戏规则,而是“突飞猛进”模式,与功耗相关的很多指标都不断刷新记录。我们在选择合适的超低功耗MCU时要掌握必要的技巧,在应用时还需要一些设计方向与思路才能够更好的应用。

2超低功耗MCU的选择方法

(1)在低功耗设计中,平均电流消耗往往决定电池寿命。例如,如果某个应用采用额定电流为400mAh的Eveready高电量9V1222型电池的话,要提供一年的电池寿命其平均电流消耗必须低于400mAh/8760h,即45.7μA。

(2)在使MCU能够达到电流预算的所有功能中,断电模式最重要。低功耗MCU具有可提供不同级别功能的断电模式。例如,TI超低功耗MCUMSP430系列产品可以提供5种断电模式。低功耗模式0(LPM0)会关闭CPU,但是保持其他功能正常运转。LPM1与LPM2模式在禁用功能列表中增加了各种时钟功能。LPM3是最常用的低功耗模式,只保持低频率时钟振荡器以及采用该时钟的外设运行。LPM3通常称为实时时钟模式,因为它允许定时器采用低功耗32768Hz时钟源运行,电流消耗低于1μA,同时还可定期激活系统。最后,LPM4完全关闭器件上的包括RAM存储在内的所有功能,电流消耗仅100nA。

(3)时钟系统是MCU功耗的关键。应用可以每秒多次或几百次进入与退出各种低功耗模式。进入或退出低功耗模式以及快速处理数据的功能极为重要,因为CPU会在等待时钟稳定下来期间浪费电流。

3超低功耗MCU如何降低功耗

低功耗是MCU的一项非常重要的指标,比如某些可穿戴的设备,其携带的电量有限,如果整个电路消耗的电量特别大的话,就会经常出现电量不足的情况,影响用户体验。平时我们在做产品的时候,基本的功能实现很简单,但只要涉及低功耗的问题就比较棘手了,比如某些可以低到微安级的MCU,而自己设计的低功耗怎么测都是毫安级的,电流竟然能够高出标准几百到上千倍,遇到这种情况千万不要怕,只要认真你就赢了。接着,仔细分析一下这其中的原因。

(1)掐断外设命脉,关闭外设时钟。先说最直观的,也是工程师都比较注意的方面,就是关闭MCU的外设时钟,对于现在市面上出现的大多数的MCU,其外设模块都对应着一个时钟开关。

期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆只需要打开这个外设的时钟,就可以正常的使用这个外设了,当然,此外设也就会产生相应的功耗;反之,如果想要让这个外设不产生功耗,只需关闭它的时钟即可。

(2)让工作节奏慢下来,时钟不要倍频。除了外设模块功率消耗之外,还有一个功耗大户需要注意一下,这就是PLL和FLL模块。PLL和FLL主要是用来对原始的时钟信号进行倍频操作,从而提高系统的整体时钟,相应地,其功耗也会被提上去。所以,在进入低功耗之前,需要切换时种模式,旁路掉PLL和FLL模块,从而尽可能的降低MCU的功耗,等到MCU唤醒之后再把时钟切换回去。

(3)围堵涓涓细流,注意I/O口的电平状态。如果认为只要关闭外设时钟就能够保证外设不再耗电,那么你就太天真了。如果IO口没有做好处理的话,它就会在暗地里偷走功耗,而你却浑然不知。具体原因是这样的,一般的IO的内部或者外部都会有上下拉电阻,举个例子,假如某个IO口有个10KΩ的上拉电阻,把引脚拉到3.3V,然而当MCU进入低功耗模式的时候,此IO口被设置成输出低电平,根据欧姆定律,此引脚就会消耗3.3V/10K=0.33mA的电流,假如有四、五个这样的IO口,那么几个mA就贴进去了,太可惜了。所以在进入低功耗之前,请逐个检查IO口的状态。如果此IO口带下拉,请设置为低电平输出或者高阻态输入。总之一句话,不要把上好的电流浪费在产生热量的功能上。

(4)睦邻友好的合作,要注意I/O与外设IC的统筹。IO口的上下拉电阻消耗电流这一因素相对比较明显,下边咱来说一个不明显的因素:IO口与外部IC相连时的电流消耗。假如某个IO口自带上拉,而此与IO相连的IC引脚偏偏是自带下拉的,那么无论这个引脚处于什么样的电平输出,都不可避免的产生一定的电流消耗。所以凡是遇见这一类的情况,首先需要阅读外设IC的手册,确定好此引脚的的状态,做到心中有数;然后在控制MCU睡眠之前,设置好MCU的IO口的上下拉模式及输入输出状态,要保证一丝儿电流都不要被它消耗掉。

(5)断开调试器连接,不要被假象所迷惑。还有一类比较奇特,检测出来的电流消耗很大,可实际结果是自己杞人忧天,原因是因为在测试功耗的时候MCU还连接着调试器。这时候大部分电流就会被调试器给掳走,平白无故的让工程师产生极度郁闷的心情。所以在测低功耗的时候,一定不要连接调试器,更不能边调试边测电流。

4结束语

MCU的低功耗设计是一个细致活,要养成良好的习惯,做到每添加一个功能都要重新验证一下低功耗是否符合要求,这样就可以随时随地干掉消耗功率的因素。如果把所有功能都设计好了才去考虑低功耗的问题,一个不小心,就可能要更改程序的架构,即便如此也不一定能把功耗给彻底降下去。

参考文献:

[1]陈凤武.嵌入式射频系统降低功耗的控制[J].日用电器,2015(8).

[2]何晓宇.嵌入式存储模块低功耗设计技术[J].微处理机,2016,37(4):23-26.

[3]刘春辉.低功耗自动气象站数据采集器的研究与设计[D].南京信息工程大学,2015.

论文作者:张敬明,曾庆钊

论文发表刊物:《电力设备》2017年第8期

论文发表时间:2017/7/14

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