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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。當今最先進的短距離無線 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)該擴展到電路中不太明顯的部分。例如，當使用分壓器來降低 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，當外圍設(shè)備不是嚴格需要時啟動它們，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)計人員就會仔細檢查代碼，以尋找更微妙的事情，例如處理器進入非計算等待循環(huán)（消耗功率但實際上什么也沒做）何時可以進入睡眠狀態(tài)。第二個問題是子系統(tǒng)確實按預(yù)期進入睡眠狀態(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)場花費一生的時間打開外圍設(shè)備以記錄永遠不會使用的信息。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密保護。
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)能增強功能。