電路設計超低功耗方法介紹

2020-03-17

電路設計之超低功耗是穿戴設備持之以恒的追求，最初PCB設計師在uA級別努力，而現在nA級別。超低功耗PCB設計方法有幾點(diǎn)：

組件選擇
從元件選擇開(kāi)始，尤其是電容，PCB設計人員應盡量減少旁路電容的數量。因為每個(gè)電容在靜態(tài)狀態(tài)下也會(huì )消耗幾個(gè)nA的電流。

電路設計

①PCB設計人必須注意上下拉電阻的使用，原則是盡可能的選擇大一些的上拉電阻。

②控制負載的電壓以極大程度地減少電流消耗可進(jìn)一步擴展到包括外部外圍設備和負載。

③單片機數字輸出引腳通?？商峁┖臀?span lang="EN-US">20至25 mA的電流。參考MCU數據手冊的“電氣特性”，以獲取單個(gè)引腳的電流源和灌電流以及所有端口的最大電流源或灌電流的總和。

④Microchip的MCP9700模擬溫度傳感器在工作時(shí)通常消耗6 μA的電流。通過(guò)在數字輸出引腳上接地，我們可以有效地關(guān)閉電路，節省6 μA。

⑤給設備加電時(shí)，請閱讀數據表以了解是否有開(kāi)啟時(shí)間，然后再進(jìn)行讀數。

⑥如果負載大于MCU數字引腳的拉電流或灌電流，則可以使用FET開(kāi)關(guān)

⑦選用P溝道MOSFET有非常低的漏源電阻（R_DS）

MCU和低功耗設計
如今MCU制造商增加了許多有助于降低功耗的功能，在選擇MCU的時(shí)候就要做出考慮。

①為電路供電時(shí)，將系統電壓設置得盡可能低，以降低功耗。例如，以1 MIPS在3.3 V下運行的MCU可汲取700 μA。將電壓降低到1.8 V，同時(shí)保持相同的速度，電流消耗為370 μA，幾乎節省了50％。

②如果系統時(shí)鐘可以選擇，請選擇低系統時(shí)鐘頻率。

③降低開(kāi)關(guān)速度，數字CMOS電路將消耗較少的電流。

④在不需要精度的情況下通過(guò)軟件關(guān)閉外部振蕩器電路，切換至內部振蕩器。MCU運行變慢，節省功率。

⑤關(guān)閉不需要的外圍設備電路，例如：USART，SPI，I 2 C，比較器，ADC，是史上最等，通過(guò)軟件來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉，僅向那些需要將功耗降至底的外圍設備供電。

MCU可以運行，瞌睡，空閑，睡眠和深度睡眠。除了簡(jiǎn)單地改變系統時(shí)鐘速度之外，這些模式最終為設計人員提供了更多管理功耗的選擇。這些模式還控制某些外圍設備。

⑥瞌睡模式用于以下情況：到CPU的系統時(shí)鐘變慢（預分頻），因此CPU的運行速度低于外圍設備。當對CPU資源的需求很少，但外圍設備需要繼續全速運行時(shí)，此模式特別有用。

⑦空閑模式將停止執行CPU指令，但是系統時(shí)鐘將繼續運行外圍模塊。要退出空閑模式，任何使能的中斷，設備復位或看門(mén)狗定時(shí)器超時(shí)都將開(kāi)始執行CPU指令。

⑧睡眠模式將關(guān)閉系統時(shí)鐘，這將停止CPU或外設的時(shí)鐘，但保留RAM?？梢栽谒吣Ｊ较聠⒂媚承?zhuān)用的時(shí)鐘和計時(shí)器，例如實(shí)時(shí)時(shí)鐘和日歷以及看門(mén)狗計時(shí)器。這些功能使MCU能夠在睡眠模式下計時(shí)功能，為應用設計中的節能方案增加了極大的靈活性和多樣性。

⑨深度睡眠可提供極低水平的功耗。從MCU的重要區域斷開(kāi)電源。在深度睡眠模式下，可以達到數十納安的睡眠電流。

jiu⑩根據MCU的功能集，某些外設專(zhuān)用于深度睡眠模式，例如深度睡眠掉電復位和專(zhuān)用的深度睡眠看門(mén)狗定時(shí)器。這些外設與標準的掉電復位和看門(mén)狗定時(shí)器無(wú)關(guān)，因此它們可以在深度睡眠時(shí)監視電壓和超時(shí)事件。請注意，從深度睡眠中喚醒要比從傳統睡眠模式中喚醒要花費更長(cháng)的時(shí)間，因為通常不保留RAM，必須將其還原。

?睡眠之前，請注意I / O引腳的狀態(tài)。在睡眠和深度睡眠期間，I / O引腳將保持其先前狀態(tài)。另外，請注意不要使數字輸入引腳懸空。輸入電壓電平可以在邏輯0和1之間漂移，并且可以輸入一個(gè)中點(diǎn)電壓，在該電壓下數字輸入緩沖器將在線(xiàn)性區域內偏置。這將導致大量的電流消耗。很好實(shí)踐是將這些引腳配置為模擬輸入，因為它們具有高阻抗并且僅消耗很少的電流。這應該在進(jìn)入睡眠模式之前完成。

?數字輸出通常不需要任何其他配置。消耗的電流將是引腳的輸入或輸出泄漏電流。必須注意由數字輸出引腳供電的東西。很好狀態(tài)應在進(jìn)入睡眠模式之前確定。如果外部電路由MCU供電，請注意不要通過(guò)提供邏輯1的數字輸出引腳來(lái)為電路供電。在為電路供電之前，必須將數字輸出設置為邏輯0。

?一般將未使用的I / O引腳配置為驅動(dòng)高電平或低電平的數字輸出引腳?；蛘?，可以將它們配置為帶有外部上拉或下拉電阻的輸入。但是，該引腳將吸收其輸入泄漏電流。使用這些方法給電路加電并從深度睡眠中喚醒具有其含義。電路斷電一段時(shí)間后，所有電荷都會(huì )耗盡。給電路通電會(huì )在電路帶電時(shí)產(chǎn)生一個(gè)短電流突發(fā)。為了減輕電涌，應在開(kāi)關(guān)的電源側放置存儲電容器。但是，根據我們對電容器泄漏的了解，我們必須謹慎選擇電容器類(lèi)型。電解電容漏電流大于鉭電容。陶瓷提供了良好的性能折衷，同時(shí)提供了低R ESR和低泄漏。

總結

上述PCB設計思路看起來(lái)非常簡(jiǎn)單，但是PCB設計人員需要進(jìn)入一種思維模式，減少任何電流損耗。