關(guān)于可穿戴設(shè)備能效設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性技巧分析

目前可穿戴電子設(shè)備市場(chǎng)正在快速增長，預(yù)測(cè)在2020年其市場(chǎng)將達(dá)到100億美元。眾所周知這些設(shè)備和電池都很小，因此我們需要進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)來保證設(shè)備的電池壽命能夠長達(dá)數(shù)月或者數(shù)年時(shí)間，而不是幾個(gè)小時(shí)或者幾天時(shí)間。這意味著我們需要關(guān)注從時(shí)鐘啟動(dòng)到MOSFET開關(guān)切換操作之間所發(fā)生的每個(gè)細(xì)節(jié)。以下列舉了幾點(diǎn)對(duì)電池電量的計(jì)算精確到了每一分鐘，盡管有些想法對(duì)于節(jié)能的效果很小，但是有些卻很明顯。俗話說不積跬步無以至千里，方法多了對(duì)于節(jié)能的效果還是非常可觀的。

睡眠模式

假設(shè)一個(gè)設(shè)備實(shí)際上不能夠完全的關(guān)閉，那么對(duì)于節(jié)能最有效的策略可能就是讓設(shè)備盡可能的處于低功耗睡眠狀態(tài)。很明顯我們需要設(shè)置時(shí)間或者事件（如中斷）來將設(shè)備喚醒，如按下按鈕或者是肢體的運(yùn)動(dòng)。你可以通過多個(gè)參數(shù)來設(shè)置設(shè)備喚醒的頻率以及喚醒后的操作，你也可以設(shè)置動(dòng)態(tài)睡眠間隔，每次睡眠時(shí)間根據(jù)具體情況而定。例如對(duì)于一個(gè)健康監(jiān)測(cè)器，當(dāng)我們活動(dòng)的時(shí)候需要頻繁的監(jiān)測(cè)和記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，但是當(dāng)活動(dòng)變慢或者停止，監(jiān)測(cè)的時(shí)間間隔可以適當(dāng)增加，這樣可以節(jié)省電池電量。

Inter-IC通信

與SPI方式不同的是I2C方式需要設(shè)計(jì)上拉電阻，這樣就增加了電能消耗。IC之間的管腳電容也會(huì)消耗電能，如果可能的話你應(yīng)該盡量降低要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。如果有四條通信線路，每個(gè)線路管腳電容5pF，電壓3.3V，運(yùn)行頻率20MHz，僅管腳電容就將占據(jù)660μA電流（電流=0.5CVf，C是管腳電容，V是電壓，f是頻率），該管腳電容將是發(fā)送和接收的所有組合IC電容。這個(gè)電能與實(shí)際的IC電流相比可能是小巫見大巫，但是并非總是如此，這還與設(shè)備的功能有關(guān)。這也正說明了為什么高集成芯片是最高效的，對(duì)于外設(shè)、RAM和Flash的訪問都是在芯片內(nèi)部完成的，這樣就有效的避免了管腳電容。最后大部分管腳電容都是由ESD保護(hù)二極管引起的。

電源效率

想要最大化效率，那么為開關(guān)電源選擇一個(gè)合適的開關(guān)穩(wěn)壓器就是其關(guān)鍵因素，特別是同步穩(wěn)壓器效率可能超過95%。當(dāng)然不僅是總體效率，待機(jī)效率也是非常重要的，因此非常有必要了解設(shè)備不同模式下的電流，計(jì)算不同電流等級(jí)下的開關(guān)穩(wěn)壓器效率之后確定不同模式對(duì)總體功耗的影響。目前市場(chǎng)上有一些非常不錯(cuò)的穩(wěn)壓器，例如Analog Device ADP5301降壓穩(wěn)壓器，其無負(fù)載靜態(tài)電流可低至180nA，而且支持遲滯工作模式。在低負(fù)載時(shí)切換為短脈沖借助外部電感為輸出電容充電，然后恢復(fù)為靜態(tài)電流工作模式。根據(jù)輸入和輸出電壓在1μA電流時(shí)，低靜態(tài)電流可以幫你提高效率高達(dá)80%。當(dāng)然實(shí)際中效果可能會(huì)低于這個(gè)值，但是效率依然高于40%。它提供的電流可高達(dá)0.5A，并且有一個(gè)可以借助外部固定電阻設(shè)置輸出的管腳。老式穩(wěn)壓器在無負(fù)載時(shí)就消耗幾毫安的電流，因此這款穩(wěn)壓器還是相當(dāng)不錯(cuò)的。

如果你正在使用的開關(guān)穩(wěn)壓器有外部MOSFET，注意MOSFET開關(guān)時(shí)間會(huì)造成嚴(yán)重的損耗。從非導(dǎo)通到導(dǎo)通之間的轉(zhuǎn)換是開關(guān)MOSFET消耗功率最大的時(shí)刻。當(dāng)它完全打開時(shí)電壓降通常會(huì)非常小因此功率損耗也會(huì)很低，然而非完全開啟會(huì)導(dǎo)致明顯的壓降，并且伴隨非常大的電流。因此如果你想將晶體管在這個(gè)狀態(tài)的時(shí)間最小化，你需要選用快速開關(guān)器件和低柵極電容，而且你還需要一個(gè)低導(dǎo)通（ON）電阻。

電源關(guān)閉

如果在睡眠模式下將電源關(guān)閉看你能否將電源電容保持很小，電容需要消耗電源進(jìn)行充電，如果在睡眠模式下將電源關(guān)閉那么電容中存儲(chǔ)的能量就會(huì)被浪費(fèi)掉（除非下次啟動(dòng)時(shí)能量依然保存在那里）。舉個(gè)例子，在3.3V的電源電路中一個(gè)1μF電容每秒關(guān)閉100次將消耗165μA（計(jì)算公式同上）。很多IC在關(guān)閉或者睡眠模式下的功耗則更低，因此在睡眠狀態(tài)下保持電路供電似乎是更好的選擇，而不是將電源直接關(guān)閉。但是以下情況除外，就是你用的器件沒有睡眠模式或者睡眠模式下的電流不是很低。如果你使用100nF的電容替代1μF的電容將會(huì)節(jié)省很多能量。

低電源電壓

即使設(shè)備消耗的電流不低，但是在更低電壓條件下設(shè)備消耗的功率也會(huì)有所降低。如果一個(gè)微控制器是由1.8V驅(qū)動(dòng)而不是3.3V，那么在相同電流下功耗會(huì)降低為一半。通常情況下數(shù)字設(shè)備在低電壓情況下也會(huì)消耗更低的電流，因此就進(jìn)一步降低了功耗。請(qǐng)注意這時(shí)最大時(shí)鐘頻率也相應(yīng)的降低了——在較低電壓情況下最大時(shí)鐘頻率也相應(yīng)降低是正常現(xiàn)象。因此盡管電流降低了，但是運(yùn)行微控制器代碼的時(shí)間確翻倍了。

舉個(gè)例子，Microchip nanoWatt XLP PIC24F16KA102微控制器驅(qū)動(dòng)電壓是3.3V，運(yùn)行頻率2MHz，消耗電流695μA，而在1.8V情況下只需要消耗電流363μA，功耗減少了70%——節(jié)能效果很明顯。然而在3.3V條件下微控制器的運(yùn)行頻率是32MHz，而在1.8V條件下最大時(shí)鐘頻率也只有8MHz。

時(shí)鐘頻率

選擇適合應(yīng)用的時(shí)鐘頻率，而不是最快的就是最好的。等到代碼運(yùn)行完畢后我們可能才會(huì)知道哪個(gè)頻率才是合適的，大多數(shù)微控制器都有可調(diào)節(jié)的時(shí)鐘倍頻器，可以根據(jù)應(yīng)用程序代碼來改變時(shí)鐘頻率。如果微控制器代碼是執(zhí)行代碼和返回進(jìn)入睡眠模式之間的限制因素，那么最快的時(shí)鐘可能是最高效的。然而一些其他操作實(shí)際上會(huì)降低速度，微控制器會(huì)“標(biāo)記時(shí)間”進(jìn)入睡眠狀態(tài)，我們可以通過定期的中斷來將微控制器喚醒。

另一種方法是，當(dāng)處理器處于“等待”狀態(tài)時(shí)我們可以顯著降低運(yùn)行時(shí)鐘頻率，當(dāng)有事情做時(shí)再回到原來的時(shí)鐘頻率。理想情況下我們應(yīng)該選擇睡眠模式，但是時(shí)鐘啟動(dòng)和等待時(shí)鐘穩(wěn)定期間會(huì)浪費(fèi)功耗，因此這意味著在某些情況下睡眠模式并不是最好的選擇。

時(shí)鐘啟動(dòng)

在等待系統(tǒng)時(shí)鐘穩(wěn)定的過程中會(huì)浪費(fèi)一些功耗，如果代碼能夠在時(shí)鐘建立期間就可以運(yùn)行那么就會(huì)帶來一些改善，但是如果某部分電路需要穩(wěn)定精確的時(shí)鐘，那么處理器不得不等待，這就導(dǎo)致能量浪費(fèi)。因此某些微控制器生廠商設(shè)置了快速時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)并穩(wěn)定。

32位微控制器

每個(gè)設(shè)計(jì)都需要采用32位控制器嗎？它們好像已經(jīng)滲入到各個(gè)方面，但是實(shí)際負(fù)責(zé)的工作卻沒那么多。采用16位或者8位控制器可能更加的高效。這取決于運(yùn)行的代碼和編譯器的效率。如果使用藍(lán)牙或者網(wǎng)絡(luò)接口，那么更大的存儲(chǔ)器空間是必需的，應(yīng)該采用16位或者32位處理器。采用TCP/IP協(xié)議的Web服務(wù)器需要使用32位處理器。編寫好的代碼可以降低資源消耗和功率消耗。

支持更大數(shù)據(jù)帶寬的處理器在很多方面消耗的功率都比較多。訪問32位的RAM和Flash比訪問16位的存儲(chǔ)空間所消耗的功率更高，而且越大的存儲(chǔ)空間漏電流也會(huì)隨之增加。這需要我們?cè)O(shè)計(jì)和編寫高效的代碼結(jié)構(gòu)以及避免選擇那些擁有多余存儲(chǔ)空間的處理器，在存儲(chǔ)容量夠用的前提下將其降到最低。

射頻（RF）功耗

如果存在RF無線接口，如智能藍(lán)牙，我們需要考慮到傳輸距離。不僅可以通過低功耗發(fā)射來節(jié)省功耗，而且接受部分可以設(shè)置可調(diào)節(jié)的靈敏度，當(dāng)靈敏度較低時(shí)所需的功耗也會(huì)降低。舉個(gè)例子，Nordic Semiconductor nRF52832在高靈敏度時(shí)消耗電流10.9mA，而在正常靈敏度時(shí)只消耗6.1mA。

自定義IC

最根本的低功耗解決方案可能是采用完全自定義IC芯片，僅設(shè)計(jì)所必需的電路。無需驅(qū)動(dòng)片外設(shè)備的電路消耗的功耗更少，然而對(duì)于開發(fā)一款產(chǎn)品而言這是最慢也是最貴的方式。這可能就是為什么康斯登（Frederique Constant）智能手表電池壽命能夠長達(dá)2到3年而Fitbit Flex智能手環(huán)卻只能持續(xù)3到5天的原因吧。

總結(jié)

當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)低功耗系統(tǒng)時(shí)有很多方面需要考慮，我們應(yīng)該設(shè)計(jì)一個(gè)電子表格，列舉出系統(tǒng)所需要的所有部件，電流消耗，占空比要求，電壓和總功率消耗。對(duì)于每個(gè)具體設(shè)計(jì)大體計(jì)算出功率消耗，找出某些必備信息的唯一方法就是實(shí)際動(dòng)手搭建一個(gè)系統(tǒng)并且進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試。