電(diàn)路设计超低功耗方法介绍

2020-03-17

電(diàn)路设计之超低功耗是穿戴设备持之以恒的追求，最初PCB设计师在uA级别努力，而现在nA级别。超低功耗PCB设计方法有(yǒu)几点：

组件选择
从元件选择开始，尤其是電(diàn)容，PCB设计人员应尽量减少旁路電(diàn)容的数量。因為(wèi)每个電(diàn)容在静态状态下也会消耗几个nA的電(diàn)流。

電(diàn)路设计

①PCB设计人必须注意上下拉電(diàn)阻的使用(yòng)，原则是尽可(kě)能(néng)的选择大一些的上拉電(diàn)阻。

②控制负载的電(diàn)压以极大程度地减少電(diàn)流消耗可(kě)进一步扩展到包括外部外围设备和负载。

③单片机数字输出引脚通常可(kě)提供和吸收20至25 mA的電(diàn)流。参考MCU数据手册的“電(diàn)气特性”，以获取单个引脚的電(diàn)流源和灌電(diàn)流以及所有(yǒu)端口的最大電(diàn)流源或灌電(diàn)流的总和。

④Microchip的MCP9700模拟温度传感器在工作时通常消耗6 µA的電(diàn)流。通过在数字输出引脚上接地，我们可(kě)以有(yǒu)效地关闭電(diàn)路，节省6 µA。

⑤给设备加電(diàn)时，请阅读数据表以了解是否有(yǒu)开启时间，然后再进行读数。

⑥如果负载大于MCU数字引脚的拉電(diàn)流或灌電(diàn)流，则可(kě)以使用(yòng)FET开关

⑦选用(yòng)P沟道MOSFET有(yǒu)非常低的漏源電(diàn)阻（R_DS）

MCU和低功耗设计
如今MCU制造商(shāng)增加了许多(duō)有(yǒu)助于降低功耗的功能(néng)，在选择MCU的时候就要做出考虑。

①為(wèi)電(diàn)路供電(diàn)时，将系统電(diàn)压设置得尽可(kě)能(néng)低，以降低功耗。例如，以1 MIPS在3.3 V下运行的MCU可(kě)汲取700 µA。将電(diàn)压降低到1.8 V，同时保持相同的速度，電(diàn)流消耗為(wèi)370 µA，几乎节省了50％。

②如果系统时钟可(kě)以选择，请选择低系统时钟频率。

③降低开关速度，数字CMOS電(diàn)路将消耗较少的電(diàn)流。

④在不需要精度的情况下通过软件关闭外部振荡器電(diàn)路，切换至内部振荡器。MCU运行变慢，节省功率。

⑤关闭不需要的外围设备電(diàn)路，例如：USART，SPI，I 2 C，比较器，ADC，是史上最等，通过软件来打开和关闭，仅向那些需要将功耗降至底的外围设备供電(diàn)。

MCU可(kě)以运行，瞌睡，空闲，睡眠和深度睡眠。除了简单地改变系统时钟速度之外，这些模式最终為(wèi)设计人员提供了更多(duō)管理(lǐ)功耗的选择。这些模式还控制某些外围设备。

⑥瞌睡模式用(yòng)于以下情况：到CPU的系统时钟变慢（预分(fēn)频），因此CPU的运行速度低于外围设备。当对CPU资源的需求很(hěn)少，但外围设备需要继续全速运行时，此模式特别有(yǒu)用(yòng)。

⑦空闲模式将停止执行CPU指令，但是系统时钟将继续运行外围模块。要退出空闲模式，任何使能(néng)的中断，设备复位或看门狗定时器超时都将开始执行CPU指令。

⑧睡眠模式将关闭系统时钟，这将停止CPU或外设的时钟，但保留RAM。可(kě)以在睡眠模式下启用(yòng)某些专用(yòng)的时钟和计时器，例如实时时钟和日历以及看门狗计时器。这些功能(néng)使MCU能(néng)够在睡眠模式下计时功能(néng)，為(wèi)应用(yòng)设计中的节能(néng)方案增加了极大的灵活性和多(duō)样性。

⑨深度睡眠可(kě)提供极低水平的功耗。从MCU的重要區(qū)域断开電(diàn)源。在深度睡眠模式下，可(kě)以达到数十纳安的睡眠電(diàn)流。

jiu⑩根据MCU的功能(néng)集，某些外设专用(yòng)于深度睡眠模式，例如深度睡眠掉電(diàn)复位和专用(yòng)的深度睡眠看门狗定时器。这些外设与标准的掉電(diàn)复位和看门狗定时器无关，因此它们可(kě)以在深度睡眠时监视電(diàn)压和超时事件。请注意，从深度睡眠中唤醒要比从传统睡眠模式中唤醒要花(huā)费更長(cháng)的时间，因為(wèi)通常不保留RAM，必须将其还原。

⑪睡眠之前，请注意I / O引脚的状态。在睡眠和深度睡眠期间，I / O引脚将保持其先前状态。另外，请注意不要使数字输入引脚悬空。输入電(diàn)压電(diàn)平可(kě)以在逻辑0和1之间漂移，并且可(kě)以输入一个中点電(diàn)压，在该電(diàn)压下数字输入缓冲器将在線(xiàn)性區(qū)域内偏置。这将导致大量的電(diàn)流消耗。很(hěn)好实践是将这些引脚配置為(wèi)模拟输入，因為(wèi)它们具有(yǒu)高阻抗并且仅消耗很(hěn)少的電(diàn)流。这应该在进入睡眠模式之前完成。

⑫数字输出通常不需要任何其他(tā)配置。消耗的電(diàn)流将是引脚的输入或输出泄漏電(diàn)流。必须注意由数字输出引脚供電(diàn)的东西。很(hěn)好状态应在进入睡眠模式之前确定。如果外部電(diàn)路由MCU供電(diàn)，请注意不要通过提供逻辑1的数字输出引脚来為(wèi)電(diàn)路供電(diàn)。在為(wèi)電(diàn)路供電(diàn)之前，必须将数字输出设置為(wèi)逻辑0。

⑬一般将未使用(yòng)的I / O引脚配置為(wèi)驱动高電(diàn)平或低電(diàn)平的数字输出引脚。或者，可(kě)以将它们配置為(wèi)带有(yǒu)外部上拉或下拉電(diàn)阻的输入。但是，该引脚将吸收其输入泄漏電(diàn)流。使用(yòng)这些方法给電(diàn)路加電(diàn)并从深度睡眠中唤醒具有(yǒu)其含义。電(diàn)路断電(diàn)一段时间后，所有(yǒu)電(diàn)荷都会耗尽。给電(diàn)路通電(diàn)会在電(diàn)路带電(diàn)时产生一个短電(diàn)流突发。為(wèi)了减轻電(diàn)涌，应在开关的電(diàn)源侧放置存储電(diàn)容器。但是，根据我们对電(diàn)容器泄漏的了解，我们必须谨慎选择電(diàn)容器类型。電(diàn)解電(diàn)容漏電(diàn)流大于钽電(diàn)容。陶瓷提供了良好的性能(néng)折衷，同时提供了低R ESR和低泄漏。

总结

上述PCB设计思路看起来非常简单，但是PCB设计人员需要进入一种思维模式，减少任何電(diàn)流损耗。