低功耗產(chǎn)品中的關(guān)鍵組件是設計師

2022-06-06

低功耗產(chǎn)品中的關(guān)鍵組件是設計師

Arm ? Cortex ? -M33 處理器是無(wú)線(xiàn)系統設計人員的熱門(mén)選擇，他們希望從物聯(lián)網(wǎng)設計的受限功率預算中榨取每一微瓦。那是因為它提供了高性能，同時(shí)消耗很少的能量。

Arm 是一家知識產(chǎn)權 (IP) 供應商，向芯片制造商出售其處理器專(zhuān)有技術(shù)，然后芯片制造商在自己的硬件中實(shí)施設計，無(wú)論是作為獨立處理器還是作為片上系統 (SoC) 的一部分嵌入。設計的最終效率當然取決于硬件實(shí)現，但根據 Cortex-M33 的 Arm 數據表，在處理器運行時(shí)期望每兆赫茲大約 10 微瓦的功耗并不是不合理的。這并沒(méi)有在性能上妥協(xié)；這是一個(gè)非常強大的設備。（對于有技術(shù)頭腦的人來(lái)說(shuō)，Cortex-M33 擁有 4.02 CoreMark/兆赫茲）。

為支持低功耗無(wú)線(xiàn)設計中的嵌入式處理器而提供的組件帶來(lái)了類(lèi)似的效率水平。例如，考慮藍牙?中的無(wú)線(xiàn)電LE 或 Zigbee SoC。就在不久前，這些設備在通過(guò)無(wú)線(xiàn)鏈路發(fā)送或接收數據時(shí)消耗了幾十毫瓦。當您只有很小的功率預算和用戶(hù)對數月電池壽命的期望時(shí)，這是一個(gè)巨大的數字。當今最先進(jìn)的短距離無(wú)線(xiàn) 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(guò)設計、材料和制造的進(jìn)步，處理器、內存、無(wú)線(xiàn)電、模數轉換器 (ADC)、線(xiàn)性穩壓器 (LDO) 和其余部分的功耗僅是幾年前的一小部分. 這使設計人員有機會(huì )通過(guò)使用更小的電池來(lái)顯著(zhù)延長(cháng)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用設計解決方案，那么最終的設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，一種設計的效率是另一種設計的一半并不罕見(jiàn)。不同之處在于設計師的技能和經(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)品設計師知道這對我們其他人來(lái)說(shuō)是什么新聞？它歸結為硬件選擇、良好的編碼、測試和睡眠。多睡覺(jué)。

外圍設備至關(guān)重要

經(jīng)驗豐富的設計人員知道，決定能耗的不僅是處理器、無(wú)線(xiàn)電和內存等關(guān)鍵組件，外設也很重要。如果以數月為單位來(lái)衡量電池壽命，即使是低效的無(wú)源設備也可以節省數天的能源。

好的設計選擇包括具有低能耗需求和靜態(tài)電流的外圍設備，這已經(jīng)不是什么新聞了。但考慮如何使用該設備也很重要。例如，考慮一個(gè)內置的加速度計；如果應用程序只需要知道它何時(shí)被反轉，那么最好確保這是加速度計報告其位置的唯一時(shí)間，而不是連續傳輸每一個(gè)微小的運動(dòng)。

還需要注意選擇具有最小功耗的組件。例如，降壓/升壓穩壓器和 LDO 在運行期間都會(huì )消耗一些功率，因此選擇最高效的同時(shí)仍能滿(mǎn)足應用需求非常重要。這種方法應該擴展到電路中不太明顯的部分。例如，當使用分壓器來(lái)降低 ADC 的電壓時(shí)，應將其設計為通過(guò)分流電阻器消耗最少的功率。另一個(gè)常見(jiàn)的失敗是設計信號下拉，以便它們將電壓拉到地，但不會(huì )最大限度地減少電流泄漏。這是對電池能量的持續消耗，從長(cháng)遠來(lái)看會(huì )產(chǎn)生重大影響。

好的代碼可以節省能源

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(shuō)應該經(jīng)常關(guān)閉某些東西，因為這樣啟動(dòng)周期將花費太長(cháng)時(shí)間并損害用戶(hù)體驗。但大多數現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(dòng)延遲很低。熟練的設計人員使用這些功能來(lái)確保組件不會(huì )消耗能量，除非它們確實(shí)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(huì )構建他們的代碼以使其易于閱讀。這樣可以更快地發(fā)現代碼行，例如，當外圍設備不是嚴格需要時(shí)啟動(dòng)它們，或者在它們執行任務(wù)后無(wú)法使它們進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

一旦消除了明顯的代碼錯誤，熟練的設計人員就會(huì )仔細檢查代碼，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(shí)際上什么也沒(méi)做）何時(shí)可以進(jìn)入睡眠狀態(tài)。第二個(gè)問(wèn)題是子系統確實(shí)按預期進(jìn)入睡眠狀態(tài)，但在并非絕對必要時(shí)經(jīng)常被喚醒。例如，可以設置一個(gè)定時(shí)器來(lái)喚醒處理器，以便它可以讀取一些傳感器數據，即使應用程序此時(shí)不需要這些信息。

經(jīng)驗不足的設計人員犯的另一個(gè)常見(jiàn)錯誤是忘記禁用在開(kāi)發(fā)和調試期間有用但在現場(chǎng)不需要的事件記錄。危險在于產(chǎn)品離開(kāi)工廠(chǎng)并在現場(chǎng)花費一生的時(shí)間打開(kāi)外圍設備以記錄永遠不會(huì )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(jiǎn)單方法。但它可能不會(huì )講述完整的故事。精心設計的無(wú)線(xiàn)設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(zhù)短暫的平均電流測試可能會(huì )錯過(guò)可能仍然對電池壽命產(chǎn)生重大影響的不常見(jiàn)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(cháng)期功耗。這樣，設計人員可以清楚地識別低功率無(wú)線(xiàn)設計常見(jiàn)的瞬態(tài)功率尖峰，并確保每個(gè)尖峰都與嚴格必要的活動(dòng)相對應。這種技術(shù)的缺點(diǎn)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。

結論

明天的低功耗設備將使今天看起來(lái)像貪婪的怪物。但鑒于當前的供應鏈挑戰，它們還需要一段時(shí)間才能隨時(shí)可用。好消息是設計師不必坐以待斃。即使是最熟練的工程師也不太可能一開(kāi)始就做好一切。這使得對現有產(chǎn)品的審查是值得的，因為它很可能會(huì )揭示一些可以傳遞給用戶(hù)的有用的節能增強功能。