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低功耗产品中的关键组件是设计师
低功耗产品中的关键组件是设计师
Arm ® Cortex ® -M33 处理器是无线系统设计人员的热门选择，他们希望从物联网设计的受限功率预算中榨取每一微瓦。那是因为它提供了高性能，同时消耗很少的能量。
Arm 是一家知识产权 (IP) 供应商，向芯片制造商出售其处理器专有技术，然后芯片制造商在自己的硬件中实施设计，无论是作为独立处理器还是作为片上系统 (SoC) 的一部分嵌入。设计的最终效率当然取决于硬件实现，但根据 Cortex-M33 的 Arm 数据表，在处理器运行时期望每兆赫兹大约 10 微瓦的功耗并不是不合理的。这并没有在性能上妥协；这是一个非常强大的设备。（对于有技术头脑的人来说，Cortex-M33 拥有 4.02 CoreMark/兆赫兹）。
为支持低功耗无线设计中的嵌入式处理器而提供的组件带来了类似的效率水平。例如，考虑蓝牙®中的无线电LE 或 Zigbee SoC。就在不久前，这些设备在通过无线链路发送或接收数据时消耗了几十毫瓦。当您只有很小的功率预算和用户对数月电池寿命的期望时，这是一个巨大的数字。当今最先进的短距离无线 SoC 事半功倍，提供比上一代产品更大的范围和吞吐量，而功耗仅为几毫瓦。通过设计、材料和制造的进步，处理器、内存、无线电、模数转换器 (ADC)、线性稳压器 (LDO) 和其余部分的功耗仅是几年前的一小部分. 这使设计人员有机会通过使用更小的电池来显着延长其产品的电池寿命或缩小其外形尺寸。
然而，如果让任意两位工程师使用同一盒低功耗位为给定应用设计解决方案，那么最终的设计将具有完全不同的电池寿命。而不仅仅是百分之几。在充分利用电池能量方面，一种设计的效率是另一种设计的一半并不罕见。不同之处在于设计师的技能和经验。这使得产品背后的人对其功耗产生了最重要的影响。
技术娴熟的低功耗产品设计师知道这对我们其他人来说是什么新闻？它归结为硬件选择、良好的编码、测试和睡眠。多睡觉。
外围设备至关重要
经验丰富的设计人员知道，决定能耗的不仅是处理器、无线电和内存等关键组件，外设也很重要。如果以数月为单位来衡量电池寿命，即使是低效的无源设备也可以节省数天的能源。
好的设计选择包括具有低能耗需求和静态电流的外围设备，这已经不是什么新闻了。但考虑如何使用该设备也很重要。例如，考虑一个内置的加速度计；如果应用程序只需要知道它何时被反转，那么最好确保这是加速度计报告其位置的唯一时间，而不是连续传输每一个微小的运动。
还需要注意选择具有最小功耗的组件。例如，降压/升压稳压器和 LDO 在运行期间都会消耗一些功率，因此选择最高效的同时仍能满足应用需求非常重要。这种方法应该扩展到电路中不太明显的部分。例如，当使用分压器来降低 ADC 的电压时，应将其设计为通过分流电阻器消耗最少的功率。另一个常见的失败是设计信号下拉，以便它们将电压拉到地，但不会最大限度地减少电流泄漏。这是对电池能量的持续消耗，从长远来看会产生重大影响。
好的代码可以节省能源
组装电路后，重要的是所有元件始终以尽可能低的能耗水平运行。这并不是说应该经常关闭某些东西，因为这样启动周期将花费太长时间并损害用户体验。但大多数现代低功耗组件都有各种待机和睡眠模式，能耗可以忽略不计，但启动延迟很低。熟练的设计人员使用这些功能来确保组件不会消耗能量，除非它们确实需要。
此外，经验丰富的工程师将检查他或她的代码是否有可能产生不必要的功耗的触发器或中断。为了让他们的生活更轻松，这些工程师通常会构建他们的代码以使其易于阅读。这样可以更快地发现代码行，例如，当外围设备不是严格需要时启动它们，或者在它们执行任务后无法使它们进入睡眠状态。
一旦消除了明显的代码错误，熟练的设计人员就会仔细检查代码，以寻找更微妙的事情，例如处理器进入非计算等待循环（消耗功率但实际上什么也没做）何时可以进入睡眠状态。第二个问题是子系统确实按预期进入睡眠状态，但在并非绝对必要时经常被唤醒。例如，可以设置一个定时器来唤醒处理器，以便它可以读取一些传感器数据，即使应用程序此时不需要这些信息。
经验不足的设计人员犯的另一个常见错误是忘记禁用在开发和调试期间有用但在现场不需要的事件记录。危险在于产品离开工厂并在现场花费一生的时间打开外围设备以记录永远不会使用的信息。但是将使用的是电池的能量。
检查发生了什么
测试最终产品的平均电流消耗是估算电池寿命的一种简单方法。但它可能不会讲述完整的故事。精心设计的无线设备在低功耗和有源模式之间不断变化，低占空比非常普遍。这意味着短暂的平均电流测试可能会错过可能仍然对电池寿命产生重大影响的不常见的峰值消耗事件。
全面了解情况的最佳方法是使用成熟的功率分析仪详细查看长期功耗。这样，设计人员可以清楚地识别低功率无线设计常见的瞬态功率尖峰，并确保每个尖峰都与严格必要的活动相对应。这种技术的缺点是功率分析仪非常昂贵、非常笨重，并且受到首席工程师的严密保护。
结论
明天的低功耗设备将使今天看起来像贪婪的怪物。但鉴于当前的供应链挑战，它们还需要一段时间才能随时可用。好消息是设计师不必坐以待毙。即使是最熟练的工程师也不太可能一开始就做好一切。这使得对现有产品的审查是值得的，因为它很可能会揭示一些可以传递给用户的有用的节能增强功能。