低功耗产品中的关键组件是设计师

2022-06-06

低功耗产品中的关键组件是设计师

Arm ® Cortex ® -M33 处理(lǐ)器是无線(xiàn)系统设计人员的热门选择，他(tā)们希望从物(wù)联网设计的受限功率预算中榨取每一微瓦。那是因為(wèi)它提供了高性能(néng)，同时消耗很(hěn)少的能(néng)量。

Arm 是一家知识产权 (IP) 供应商(shāng)，向芯片制造商(shāng)出售其处理(lǐ)器专有(yǒu)技术，然后芯片制造商(shāng)在自己的硬件中实施设计，无论是作為(wèi)独立处理(lǐ)器还是作為(wèi)片上系统 (SoC) 的一部分(fēn)嵌入。设计的最终效率当然取决于硬件实现，但根据 Cortex-M33 的 Arm 数据表，在处理(lǐ)器运行时期望每兆赫兹大约 10 微瓦的功耗并不是不合理(lǐ)的。这并没有(yǒu)在性能(néng)上妥协；这是一个非常强大的设备。（对于有(yǒu)技术头脑的人来说，Cortex-M33 拥有(yǒu) 4.02 CoreMark/兆赫兹）。

為(wèi)支持低功耗无線(xiàn)设计中的嵌入式处理(lǐ)器而提供的组件带来了类似的效率水平。例如，考虑蓝牙®中的无線(xiàn)電(diàn)LE 或 Zigbee SoC。就在不久前，这些设备在通过无線(xiàn)链路发送或接收数据时消耗了几十毫瓦。当您只有(yǒu)很(hěn)小(xiǎo)的功率预算和用(yòng)户对数月電(diàn)池寿命的期望时，这是一个巨大的数字。当今最先进的短距离无線(xiàn) SoC 事半功倍，提供比上一代产品更大的范围和吞吐量，而功耗仅為(wèi)几毫瓦。通过设计、材料和制造的进步，处理(lǐ)器、内存、无線(xiàn)電(diàn)、模数转换器 (ADC)、線(xiàn)性稳压器 (LDO) 和其余部分(fēn)的功耗仅是几年前的一小(xiǎo)部分(fēn). 这使设计人员有(yǒu)机会通过使用(yòng)更小(xiǎo)的電(diàn)池来显着延長(cháng)其产品的電(diàn)池寿命或缩小(xiǎo)其外形尺寸。

然而，如果让任意两位工程师使用(yòng)同一盒低功耗位為(wèi)给定应用(yòng)设计解决方案，那么最终的设计将具有(yǒu)完全不同的電(diàn)池寿命。而不仅仅是百分(fēn)之几。在充分(fēn)利用(yòng)電(diàn)池能(néng)量方面，一种设计的效率是另一种设计的一半并不罕见。不同之处在于设计师的技能(néng)和经验。这使得产品背后的人对其功耗产生了最重要的影响。

技术娴熟的低功耗产品设计师知道这对我们其他(tā)人来说是什么新(xīn)闻？它归结為(wèi)硬件选择、良好的编码、测试和睡眠。多(duō)睡觉。

外围设备至关重要

经验丰富的设计人员知道，决定能(néng)耗的不仅是处理(lǐ)器、无線(xiàn)電(diàn)和内存等关键组件，外设也很(hěn)重要。如果以数月為(wèi)单位来衡量電(diàn)池寿命，即使是低效的无源设备也可(kě)以节省数天的能(néng)源。

好的设计选择包括具有(yǒu)低能(néng)耗需求和静态電(diàn)流的外围设备，这已经不是什么新(xīn)闻了。但考虑如何使用(yòng)该设备也很(hěn)重要。例如，考虑一个内置的加速度计；如果应用(yòng)程序只需要知道它何时被反转，那么最好确保这是加速度计报告其位置的唯一时间，而不是连续传输每一个微小(xiǎo)的运动。

还需要注意选择具有(yǒu)最小(xiǎo)功耗的组件。例如，降压/升压稳压器和 LDO 在运行期间都会消耗一些功率，因此选择最高效的同时仍能(néng)满足应用(yòng)需求非常重要。这种方法应该扩展到電(diàn)路中不太明显的部分(fēn)。例如，当使用(yòng)分(fēn)压器来降低 ADC 的電(diàn)压时，应将其设计為(wèi)通过分(fēn)流電(diàn)阻器消耗最少的功率。另一个常见的失败是设计信号下拉，以便它们将電(diàn)压拉到地，但不会最大限度地减少電(diàn)流泄漏。这是对電(diàn)池能(néng)量的持续消耗，从長(cháng)遠(yuǎn)来看会产生重大影响。

好的代码可(kě)以节省能(néng)源

组装電(diàn)路后，重要的是所有(yǒu)元件始终以尽可(kě)能(néng)低的能(néng)耗水平运行。这并不是说应该经常关闭某些东西，因為(wèi)这样启动周期将花(huā)费太長(cháng)时间并损害用(yòng)户體(tǐ)验。但大多(duō)数现代低功耗组件都有(yǒu)各种待机和睡眠模式，能(néng)耗可(kě)以忽略不计，但启动延迟很(hěn)低。熟练的设计人员使用(yòng)这些功能(néng)来确保组件不会消耗能(néng)量，除非它们确实需要。

此外，经验丰富的工程师将检查他(tā)或她的代码是否有(yǒu)可(kě)能(néng)产生不必要的功耗的触发器或中断。為(wèi)了让他(tā)们的生活更轻松，这些工程师通常会构建他(tā)们的代码以使其易于阅读。这样可(kě)以更快地发现代码行，例如，当外围设备不是严格需要时启动它们，或者在它们执行任務(wù)后无法使它们进入睡眠状态。

一旦消除了明显的代码错误，熟练的设计人员就会仔细检查代码，以寻找更微妙的事情，例如处理(lǐ)器进入非计算等待循环（消耗功率但实际上什么也没做）何时可(kě)以进入睡眠状态。第二个问题是子系统确实按预期进入睡眠状态，但在并非绝对必要时经常被唤醒。例如，可(kě)以设置一个定时器来唤醒处理(lǐ)器，以便它可(kě)以读取一些传感器数据，即使应用(yòng)程序此时不需要这些信息。

经验不足的设计人员犯的另一个常见错误是忘记禁用(yòng)在开发和调试期间有(yǒu)用(yòng)但在现场不需要的事件记录。危险在于产品离开工厂并在现场花(huā)费一生的时间打开外围设备以记录永遠(yuǎn)不会使用(yòng)的信息。但是将使用(yòng)的是電(diàn)池的能(néng)量。  

检查发生了什么

测试最终产品的平均電(diàn)流消耗是估算電(diàn)池寿命的一种简单方法。但它可(kě)能(néng)不会讲述完整的故事。精心设计的无線(xiàn)设备在低功耗和有(yǒu)源模式之间不断变化，低占空比非常普遍。这意味着短暂的平均電(diàn)流测试可(kě)能(néng)会错过可(kě)能(néng)仍然对電(diàn)池寿命产生重大影响的不常见的峰值消耗事件。

全面了解情况的最佳方法是使用(yòng)成熟的功率分(fēn)析仪详细查看長(cháng)期功耗。这样，设计人员可(kě)以清楚地识别低功率无線(xiàn)设计常见的瞬态功率尖峰，并确保每个尖峰都与严格必要的活动相对应。这种技术的缺点是功率分(fēn)析仪非常昂贵、非常笨重，并且受到首席工程师的严密保护。

结论

明天的低功耗设备将使今天看起来像贪婪的怪物(wù)。但鉴于当前的供应链挑战，它们还需要一段时间才能(néng)随时可(kě)用(yòng)。好消息是设计师不必坐(zuò)以待毙。即使是最熟练的工程师也不太可(kě)能(néng)一开始就做好一切。这使得对现有(yǒu)产品的审查是值得的，因為(wèi)它很(hěn)可(kě)能(néng)会揭示一些可(kě)以传递给用(yòng)户的有(yǒu)用(yòng)的节能(néng)增强功能(néng)。