PCB設計降低電路功耗

2020-12-21

沒(méi)有一定數量的電流和電壓，電路將無(wú)法正常運行。但是，通過(guò)電路的電流或電壓過(guò)大會(huì )損壞電路以及所有連接的組件。因此，設計人員必須注意電路消耗的功率。 

電路的使用壽命更長(cháng)，并且如果流過(guò)的功率較小，則不容易損壞。但是，設計人員必須在功能與功率之間取得平衡，并在計算時(shí)考慮到整個(gè)電子項目。 

那么，如何減少電路的功耗呢？設計人員經(jīng)常通過(guò)各種方法努力降低電路功耗，但是第一步是要了解什么是功耗以及為什么降低功耗如此重要。 

不良的電路功耗

用最簡(jiǎn)單的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，功耗是電壓乘以電流的乘積，以瓦特表示。電路需要一定的功耗才能正常工作，但并非所有功耗都是理想的。電路中應將兩種不同類(lèi)型的功耗降至最低：動(dòng)態(tài)和靜態(tài)。 

減少動(dòng)態(tài)和靜態(tài)功耗

動(dòng)態(tài)功耗發(fā)生在電路短路或涉及開(kāi)關(guān)操作時(shí)。假定在電路上沒(méi)有任何活動(dòng)或在電流泄漏期間，在電流流動(dòng)期間會(huì )發(fā)生靜態(tài)功耗。 

設計人員還必須意識到由電源紋波引起的功耗尖峰，這會(huì )以意想不到的方式使電路崩潰。較高的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)功耗會(huì )產(chǎn)生熱量，如果不加以檢查，可能會(huì )使組件不堪重負。盡管諸如散熱器之類(lèi)的部件可以減輕較高溫度的影響，但高功耗所產(chǎn)生的熱量仍會(huì )給電路及其周?chē)牟考?lái)不必要的壓力。

降低功耗的重要性

隨著(zhù)電子設備的小型化和移動(dòng)設備的普及，最小化電路中的功耗對于現代世界變得越來(lái)越重要。降低功耗對于延長(cháng)便攜式設備的電池壽命以及使機器之間的連接高效節能至關(guān)重要。最新一代的電源USB標準通過(guò)降低功耗來(lái)提高效率，而又不犧牲性能。低功耗標準適用于單個(gè)USB端口和具有多個(gè)單獨連接的USB集線(xiàn)器。

降低電路功耗很重要的兩個(gè)主要原因。首先是功能，因為電路中意外的功率增益或損耗會(huì )降低效率或產(chǎn)生不必要的熱量。第二個(gè)是成本，因為消耗較少功率的電子產(chǎn)品在運行和維護方面更具成本效益。 

設計人員如何降低電路功耗？

電子項目中的每個(gè)組件都會(huì )導致該項目的功耗。各個(gè)組件具有功耗公差，并且通過(guò)許多組件累積的功率影響可能對整個(gè)項目產(chǎn)生進(jìn)一步的影響。 

使用低功耗設計技術(shù)

一組稱(chēng)為低功耗設計的設計原則使用多種因素來(lái)平衡組件內部和組件之間的功耗。這些因素可以包括電路活動(dòng)，電流頻率，過(guò)渡時(shí)間，電容負載，電壓，泄漏電流和峰值電流。最小化這些因素中的每一個(gè)通常是不現實(shí)的。設計人員必須意識到這些特性之間的權衡，才能優(yōu)化設計。例如，通過(guò)電路的高電壓通常會(huì )導致高功耗。但是，如果該電路的活動(dòng)級別較低，則其對項目總體功耗水平的貢獻也可能較低。PCB建模軟件通?？梢灶A測電路內部的功耗，因此設計人員可以放心地結合使用低功耗設計技術(shù)。

通過(guò)低功耗設計降低功耗需要開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)為實(shí)現低功耗而又不損失功能或效率的新技術(shù)。由于低功耗設計而開(kāi)發(fā)的新技術(shù)比便攜式設備具有更多的應用領(lǐng)域。用于計算機的新型RAM，具有降低的開(kāi)關(guān)功率的邏輯門(mén)，高性能數據轉換器和專(zhuān)用傳感器是降低功耗的一些突破。與較早的技術(shù)相比，其中一些降低功耗的替代方案可將功耗降低多達70％。這些技術(shù)的廣泛采用可以大大減少世界消耗的能源，即使電子設備的數量增加了。

改變閾值電壓

減少電路功耗的另一個(gè)重要策略是根據組件內部的運行模式來(lái)改變組件內的閾值電壓。當設備處于待機或關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，高閾值電壓可最大程度地降低泄漏電流，從而降低靜態(tài)功耗。設備工作時(shí)的低閾值電壓可提高性能并最大程度地減少毛刺，從而降低動(dòng)態(tài)功耗。設計人員可以通過(guò)電路控制閾值電壓，并可以使用穩壓器在整個(gè)項目的其余部分保持穩定的電壓。

串聯(lián)堆疊晶體管

降低電路功耗的另一種策略是串聯(lián)堆疊晶體管。在關(guān)閉狀態(tài)下連接在一起的兩個(gè)晶體管比單個(gè)晶體管泄漏的電流更少。一種類(lèi)似的方法稱(chēng)為LECTOR技術(shù)，它使用一個(gè)晶體管控制另一個(gè)晶體管的輸入門(mén)，通過(guò)增加電阻來(lái)減少泄漏。無(wú)論晶體管是打開(kāi)還是關(guān)閉，這種方法都有效。兩種方法都降低了靜態(tài)功耗。