電池供電節(jié)能設(shè)計(jì)方案詳解

在不更換電池和不充電的時(shí)候，我時(shí)常覺(jué)得自己在不斷地將各種耗盡電量的個(gè)人電子設(shè)備恢復(fù)為全功能狀態(tài)。雖然我向來(lái)會(huì)不時(shí)關(guān)注電源狀態(tài)，但是可穿戴健身設(shè)備或藍(lán)牙耳機(jī)在鍛煉時(shí)關(guān)機(jī)的情況仍屢見(jiàn)不鮮，更不用說(shuō)，智能手機(jī)在最糟糕的時(shí)刻因電量耗盡而關(guān)機(jī)，更是司空見(jiàn)慣。

僅僅只是數(shù)臺(tái)個(gè)人電子設(shè)備就已讓人應(yīng)接不暇，由此可以想象，具有數(shù)千臺(tái)電池供電設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 應(yīng)用，很可能僅僅因?yàn)殡姵鼐S護(hù)工作，就導(dǎo)致不堪電量重負(fù)而崩潰。

對(duì)于那些大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和個(gè)人設(shè)備，對(duì)來(lái)自“常開(kāi)型”傳感器的即時(shí)數(shù)據(jù)需求致使電源問(wèn)題的影響不斷放大。所幸，隨著硅片制造商不斷提高微控制器的能效，并為主處理器分擔(dān)了一些處理負(fù)載，這種電子設(shè)備供電不足的慘淡情形才有所改善。

先進(jìn)技術(shù)改善經(jīng)典電源管理

按照傳統(tǒng)方法，基于微控制器的系統(tǒng)電源管理主要集中于主處理器的占空比，因?yàn)橹魈幚砥魍ǔ３袚?dān)了小型嵌入式系統(tǒng)的大部分功耗。因此，一般會(huì)要求設(shè)計(jì)人員最大限度地縮短處理器功耗最大的通電時(shí)間，轉(zhuǎn)而設(shè)計(jì)功率受限的系統(tǒng)，讓處理器盡量保持在節(jié)能的休眠模式。對(duì)于需要從傳感器定期收集數(shù)據(jù)的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)人員讓處理器休眠而使用外設(shè)中斷，喚醒處理器以收集和處理數(shù)據(jù)，之后再立即恢復(fù)休眠狀態(tài)。

復(fù)雜的片上外設(shè)的出現(xiàn)讓開(kāi)發(fā)人員可以延長(zhǎng)處理器的休眠時(shí)間。通常，微控制器會(huì)集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器］Maxim Integrated 的 Darwin 微控制器等高級(jí)處理器系列將這種方法提升到更高層次，專門(mén)采用一系列機(jī)制來(lái)降低功耗而不影響應(yīng)用功能和性能要求（請(qǐng)參閱“構(gòu)建更有效的智能設(shè)備：第 1 部分 – 使用 MCU 和 PMIC 的低功耗設(shè)計(jì)”）。因此，開(kāi)發(fā)人員可以更精確地平衡功率和性能，以滿足緊張的功耗預(yù)算。

外設(shè)擁有獨(dú)立處理器

在分離外設(shè)功能與核心處理時(shí)，更高級(jí)的微控制器通過(guò)專用處理器改進(jìn)了這些外設(shè)子系統(tǒng)。例如，Maxim Integrated 的 Darwin 系列與許多這類器件一樣，包括外設(shè)管理單元 （PMU），它不僅支持直接存儲(chǔ)器訪問(wèn) （DMA） 操作，還包括輪詢調(diào)度及其他更高級(jí)的功能。

這種將處理能力擴(kuò)展到處理器內(nèi)核以外的做法，已成為如今一些降低功耗和提高性能的最有效方法之本。硬件加密加速器就是這種趨勢(shì)的典型范例，這些加速器內(nèi)置于大多數(shù)專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備或其他連接應(yīng)用所設(shè)計(jì)的高級(jí)微控制器中。通過(guò)加快算法執(zhí)行，專用加速器可使設(shè)備快速恢復(fù)低功耗狀態(tài)。

這種趨勢(shì)還有另一個(gè)更有趣的示例，就是 Texas Instruments 的 SimpleLink 系列等無(wú)線微控制器。例如，Texas Instruments 的 CC2640R2F低功耗藍(lán)牙 （BLE） 無(wú)線微控制器，結(jié)合了 Arm? Cortex?-M3 主處理器與 BLE 專用子系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含 Arm Cortex-M0 專用處理器和射頻 （RF） 收發(fā)器（圖1）。

圖 1：Texas Instruments 的 CC2640R2F BLE 器件等高級(jí)無(wú)線微控制器，通過(guò)使用 Arm Cortex-M0 節(jié)能型處理器內(nèi)核來(lái)保持無(wú)線連接，同時(shí)使 Arm Cortex-M3 主處理器處于休眠狀態(tài)，以此實(shí)現(xiàn)最佳的功耗。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

當(dāng)主處理器運(yùn)行應(yīng)用時(shí)，開(kāi)發(fā)人員無(wú)法使用］對(duì)常開(kāi)型功能的需求當(dāng)然不僅僅只針對(duì)連接性。在越來(lái)越多的檢測(cè)應(yīng)用中，用戶希望設(shè)備能夠?qū)囟?、運(yùn)動(dòng)、空氣質(zhì)量及其他特性的變化做出即時(shí)響應(yīng)。若使用傳統(tǒng)方法，這種常開(kāi)型功能會(huì)迫使微控制器在活動(dòng)模式下連續(xù)運(yùn)行，或幾乎連續(xù)運(yùn)行，同時(shí)收集和檢查重要事件的數(shù)據(jù)。

許多高級(jí)傳感器允許開(kāi)發(fā)人員編程設(shè)定觸發(fā)中斷的最小和最大閾值，使微控制器保持休眠模式直至發(fā)生超出閾值的事件。然而，在某些應(yīng)用中，單靠閾值功能是不夠的。

例如，常開(kāi)型運(yùn)動(dòng)傳感器可能需要識(shí)別所測(cè)量的加速度或方向出現(xiàn)特性變化或特定模式，這代表設(shè)備用戶正在行走、跑步、爬樓梯、轉(zhuǎn)彎或做其他活動(dòng)。即使使用具有閾值功能的高級(jí)傳感器，主機(jī)微控制器也需要保持活動(dòng)狀態(tài)以識(shí)別這些特性變化。

相反，STMicroelectronics］對(duì)開(kāi)發(fā)人員而言，自主外設(shè)操作、專用處理引擎和本地傳感器處理等功能只是推動(dòng)電池供電設(shè)計(jì)向節(jié)能發(fā)展的部分方法。