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貝加萊在嵌入式系統(tǒng)中如何實現(xiàn)低功耗設計
更新時間:2020-03-30   點擊次數:808次

在嵌入式系統(tǒng)中,低功耗設計是在產品規(guī)劃以及設計過程中必須要面對的問題。半導體芯片每18個月性能翻倍。但同時,電池的技術卻跟不上半導體的步伐,同體積的電池10年容量才能翻一倍。嵌入式系統(tǒng)對于使用時間以及待機時間的要求也越來越高,這就需要在設計產品的時候充分考慮到整個系統(tǒng)的低功耗設計。功耗控制是一個系統(tǒng)的工程,需要從低功耗的器件選型、硬件的低功耗設計與制造技術、軟件的低功耗優(yōu)化等多個方面來統(tǒng)籌考慮。上海韋米總結從以上多個角度來闡述嵌入式系統(tǒng)中低功耗設計要點。
隨著半導體工藝的不斷發(fā)展,半導體的制造工藝也在不斷進步,選用先進工藝以及低功耗設計的元器件可以從源頭上降低整個系統(tǒng)的功耗。主控芯片的選型要充分考慮到系統(tǒng)的使用場景,對于那些運算任務比較多的應用場景下,可以選用能耗比高的芯片來設計,比如像ambiq的Apollo系列芯片,該芯片采用具有的SPOT技術,芯片在亞閾值穩(wěn)定運行,可減少能源消耗近13倍,實現(xiàn)低功耗技術。
對于嵌入式系統(tǒng),電源芯片對于低功耗設計是一個很重要的器件。電源芯片自身的功耗以及轉換效率在很大程度影響電池的使用時間。進行低功耗的穩(wěn)壓電路設計,需采用低功耗的LDO或者DCDC芯片,如TI的TPS797系列,自身功耗僅1.2uA。
在滿足功能需求的情況下,盡量選用帶觸發(fā)輸出功能外部器件而非需要輪詢的外部器件,這樣可以減少MCU的運行時間,平時MCU可以一直處于睡眠狀態(tài)下,在滿足觸發(fā)條件時有外部器件通過中斷喚醒MCU工作。硬件設計對于嵌入式系統(tǒng)的功耗也有著至關重要的因素。

對外圍元器件的電源控制,采用帶關斷功能的器件,對于那些進入低功耗模式下不需要工作的外設,可以使用MOS管電路配合MCU控制對局部的電路進行電源管理。在該設備不需要工作時,盡量關斷該部分電源,以達到更低的功耗。

多級電壓設計,電壓和功耗有著密切的聯(lián)系。因此功耗的降低可以考慮對于不同的電路模塊,使用不同的電壓等級,可以采用DVFS動態(tài)電壓頻率技術,通過將不同電路模塊的工作電壓及工作頻率降低到恰好滿足系統(tǒng)低要求,來實時降低系統(tǒng)中不同電路模塊功耗的方法。硬件設計對于MCU的每個IO口都要避免IO口漏電流。當外設掉電時,IO口仍然會有潛在的電源輸出,所以IO口需要默認配置成低電平或者高電平狀態(tài),避免漏電流。

軟件對功耗的優(yōu)化涉及到多個層次和方面。適當的降低CPU的運行頻率,降低MCU的運行速度,可以有效的降低運行時需要消耗的電流,芯片的功耗和主頻是線性的關系,更高的時鐘頻率意味著更快的MCU運行速度,那么MCU內部CMOS電路就更快的開關頻率,導致更高的運行電流和待機電流。

合理的使用MCU的待機模式,在當前沒有任務需要處理時,將MCU進入到低功耗的睡眠模式。對于使用嵌入式操作系統(tǒng)的嵌入式產品,一般都是在idle空閑任務中進入睡眠模式,但是為了進一步降低功耗,實現(xiàn)低功耗設計,我們還不能直接把睡眠或者停機模式直接放在空閑任務就可以了,需要設計一種更先進的休眠機制,比如在freertos操作系統(tǒng)中使用tickless 低功耗機制,進入空閑任務后,首先要計算可以執(zhí)行低功耗的大時間,也就是求出下一個要執(zhí)行的高優(yōu)先級任務還剩多少時間。然后就是把低功耗的喚醒時間設置為這個求出的時間,到時間后系統(tǒng)會從低功耗模式被喚醒,繼續(xù)執(zhí)行多任務。

關注每一個GPIO口電平狀態(tài),在進入睡眠之前配置所有的GPIO口到高電平或者低電平以降低漏電流。對于外掛的傳感器以及外圍設備,也需要在進入睡眠之前配置其功耗模式以降低消耗的電流。

合理關閉MCU內部模塊,對于在Deep Sleep模式下不需要工作的內部模塊都要關閉時鐘以及電源以節(jié)省功耗,同時要重點關注模擬IO口,模擬功能一般是耗電大戶,在AD/DA功能不使用的時候盡快關閉,減小使用模擬功能的時間。此外,芯片內部SRAM由于需要不停的刷新,在睡眠模式下也需要消耗一定的電流,可以配置部分SRAM在睡眠模式下保持刷新降低功耗。

對于包含有無線功能的芯片,配置合理的待機參數以降低功耗。如比對于BLE芯片CSR1010,在進行BLE的廣播模式下,60ms的廣播間隔的待機電流時394A,如果將廣播時間增大到1.28S,則待機電流降低到28A。對于wifi芯片,比如高通QCA4004芯片,在DTIM1情況下對應功耗是1.5mA,在DTIM10情況下則降低到334A。

嵌入式系統(tǒng)低功耗需要綜合考慮各種可能的因素、條件和狀態(tài),需要對各種細節(jié)進行認真的斟酌和分析,需要對各種可能的方案和方法進行計算和分析,盡大的努力優(yōu)化整個系統(tǒng)的功耗,達到節(jié)省電能的目的。

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