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低功耗產(chǎn)品中的關(guān)鍵組件是設(shè)計師
低功耗產(chǎn)品中的關(guān)鍵組件是設(shè)計師
Arm ? Cortex ? -M33 處理器是無線系統(tǒng)設(shè)計人員的熱門選擇，他們希望從物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的受限功率預(yù)算中榨取每一微瓦。那是因為它提供了高性能，同時消耗很少的能量。
Arm 是一家知識產(chǎn)權(quán) (IP) 供應(yīng)商，向芯片制造商出售其處理器專有技術(shù)，然后芯片制造商在自己的硬件中實施設(shè)計，無論是作為獨(dú)立處理器還是作為片上系統(tǒng) (SoC) 的一部分嵌入。設(shè)計的最終效率當(dāng)然取決于硬件實現(xiàn)，但根據(jù) Cortex-M33 的 Arm 數(shù)據(jù)表，在處理器運(yùn)行時期望每兆赫茲大約 10 微瓦的功耗并不是不合理的。這并沒有在性能上妥協(xié)；這是一個非常強(qiáng)大的設(shè)備。（對于有技術(shù)頭腦的人來說，Cortex-M33 擁有 4.02 CoreMark/兆赫茲）。
為支持低功耗無線設(shè)計中的嵌入式處理器而提供的組件帶來了類似的效率水平。例如，考慮藍(lán)牙?中的無線電LE 或 Zigbee SoC。就在不久前，這些設(shè)備在通過無線鏈路發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時消耗了幾十毫瓦。當(dāng)您只有很小的功率預(yù)算和用戶對數(shù)月電池壽命的期望時，這是一個巨大的數(shù)字。當(dāng)今最先進(jìn)的短距離無線 SoC 事半功倍，提供比上一代產(chǎn)品更大的范圍和吞吐量，而功耗僅為幾毫瓦。通過設(shè)計、材料和制造的進(jìn)步，處理器、內(nèi)存、無線電、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、線性穩(wěn)壓器 (LDO) 和其余部分的功耗僅是幾年前的一小部分. 這使設(shè)計人員有機(jī)會通過使用更小的電池來顯著延長其產(chǎn)品的電池壽命或縮小其外形尺寸。
然而，如果讓任意兩位工程師使用同一盒低功耗位為給定應(yīng)用設(shè)計解決方案，那么最終的設(shè)計將具有完全不同的電池壽命。而不僅僅是百分之幾。在充分利用電池能量方面，一種設(shè)計的效率是另一種設(shè)計的一半并不罕見。不同之處在于設(shè)計師的技能和經(jīng)驗。這使得產(chǎn)品背后的人對其功耗產(chǎn)生了最重要的影響。
技術(shù)嫻熟的低功耗產(chǎn)品設(shè)計師知道這對我們其他人來說是什么新聞？它歸結(jié)為硬件選擇、良好的編碼、測試和睡眠。多睡覺。
外圍設(shè)備至關(guān)重要
經(jīng)驗豐富的設(shè)計人員知道，決定能耗的不僅是處理器、無線電和內(nèi)存等關(guān)鍵組件，外設(shè)也很重要。如果以數(shù)月為單位來衡量電池壽命，即使是低效的無源設(shè)備也可以節(jié)省數(shù)天的能源。
好的設(shè)計選擇包括具有低能耗需求和靜態(tài)電流的外圍設(shè)備，這已經(jīng)不是什么新聞了。但考慮如何使用該設(shè)備也很重要。例如，考慮一個內(nèi)置的加速度計；如果應(yīng)用程序只需要知道它何時被反轉(zhuǎn)，那么最好確保這是加速度計報告其位置的唯一時間，而不是連續(xù)傳輸每一個微小的運(yùn)動。
還需要注意選擇具有最小功耗的組件。例如，降壓/升壓穩(wěn)壓器和 LDO 在運(yùn)行期間都會消耗一些功率，因此選擇最高效的同時仍能滿足應(yīng)用需求非常重要。這種方法應(yīng)該擴(kuò)展到電路中不太明顯的部分。例如，當(dāng)使用分壓器來降低 ADC 的電壓時，應(yīng)將其設(shè)計為通過分流電阻器消耗最少的功率。另一個常見的失敗是設(shè)計信號下拉，以便它們將電壓拉到地，但不會最大限度地減少電流泄漏。這是對電池能量的持續(xù)消耗，從長遠(yuǎn)來看會產(chǎn)生重大影響。
好的代碼可以節(jié)省能源
組裝電路后，重要的是所有元件始終以盡可能低的能耗水平運(yùn)行。這并不是說應(yīng)該經(jīng)常關(guān)閉某些東西，因為這樣啟動周期將花費(fèi)太長時間并損害用戶體驗。但大多數(shù)現(xiàn)代低功耗組件都有各種待機(jī)和睡眠模式，能耗可以忽略不計，但啟動延遲很低。熟練的設(shè)計人員使用這些功能來確保組件不會消耗能量，除非它們確實需要。
此外，經(jīng)驗豐富的工程師將檢查他或她的代碼是否有可能產(chǎn)生不必要的功耗的觸發(fā)器或中斷。為了讓他們的生活更輕松，這些工程師通常會構(gòu)建他們的代碼以使其易于閱讀。這樣可以更快地發(fā)現(xiàn)代碼行，例如，當(dāng)外圍設(shè)備不是嚴(yán)格需要時啟動它們，或者在它們執(zhí)行任務(wù)后無法使它們進(jìn)入睡眠狀態(tài)。
一旦消除了明顯的代碼錯誤，熟練的設(shè)計人員就會仔細(xì)檢查代碼，以尋找更微妙的事情，例如處理器進(jìn)入非計算等待循環(huán)（消耗功率但實際上什么也沒做）何時可以進(jìn)入睡眠狀態(tài)。第二個問題是子系統(tǒng)確實按預(yù)期進(jìn)入睡眠狀態(tài)，但在并非絕對必要時經(jīng)常被喚醒。例如，可以設(shè)置一個定時器來喚醒處理器，以便它可以讀取一些傳感器數(shù)據(jù)，即使應(yīng)用程序此時不需要這些信息。
經(jīng)驗不足的設(shè)計人員犯的另一個常見錯誤是忘記禁用在開發(fā)和調(diào)試期間有用但在現(xiàn)場不需要的事件記錄。危險在于產(chǎn)品離開工廠并在現(xiàn)場花費(fèi)一生的時間打開外圍設(shè)備以記錄永遠(yuǎn)不會使用的信息。但是將使用的是電池的能量。
檢查發(fā)生了什么
測試最終產(chǎn)品的平均電流消耗是估算電池壽命的一種簡單方法。但它可能不會講述完整的故事。精心設(shè)計的無線設(shè)備在低功耗和有源模式之間不斷變化，低占空比非常普遍。這意味著短暫的平均電流測試可能會錯過可能仍然對電池壽命產(chǎn)生重大影響的不常見的峰值消耗事件。
全面了解情況的最佳方法是使用成熟的功率分析儀詳細(xì)查看長期功耗。這樣，設(shè)計人員可以清楚地識別低功率無線設(shè)計常見的瞬態(tài)功率尖峰，并確保每個尖峰都與嚴(yán)格必要的活動相對應(yīng)。這種技術(shù)的缺點是功率分析儀非常昂貴、非常笨重，并且受到首席工程師的嚴(yán)密保護(hù)。
結(jié)論
明天的低功耗設(shè)備將使今天看起來像貪婪的怪物。但鑒于當(dāng)前的供應(yīng)鏈挑戰(zhàn)，它們還需要一段時間才能隨時可用。好消息是設(shè)計師不必坐以待斃。即使是最熟練的工程師也不太可能一開始就做好一切。這使得對現(xiàn)有產(chǎn)品的審查是值得的，因為它很可能會揭示一些可以傳遞給用戶的有用的節(jié)能增強(qiáng)功能。