如今，由電池驅動(dòng)的便攜式設備已蔓延到社會(huì )的各個(gè)角落。移動(dòng)計算和感應裝置也在不斷涌現，為工程師們提供了大量數據和應用。但這些便攜式設備配備的電池在尺寸和重量上都有所縮減，這限制了電池的容量。由于需要考慮設備提供的多種功能，又要兼顧電池的充電時(shí)間間隔，因此減小電池的尺寸和重量就變得更加難以實(shí)現了。選擇低功耗微電子整流器顯然是解決這個(gè)問(wèn)題的第一步，然而還有很多種通過(guò)軟件和硬件省電的方法，這些方法可以確保每毫安時(shí)的電量得以充分利用。
方法1：建立電池預算
在早期的設計流程中，人們往往強烈建議納入電池預算。人們可對當前電路板上各個(gè)器件所需的電流進(jìn)行統一記錄，以大體了解所需的電流量，以及所選電池是否適用。器件電池預算數據表列出了每個(gè)器件所需的最低標準及最大電流。據保守方法估計，電池預算僅基于器件所需的最大電流值進(jìn)行。既然excel工作表格易于復制，可以分別依據標準和最大電流進(jìn)行電池預算，這將提供一個(gè)更全面的電流范圍。如果需要更多的電池，請不要擅自推進(jìn)計劃，預先做些必要的改變可避免在接下來(lái)的數周或數月內走彎路。表1為電池預算模板示例，可從作者網(wǎng)站的設計文章/設計流程中下載。
方法2：將不用的MCU I/O引腳設為最低功率狀態(tài)
對于當前不用的I/O引腳而言，人們很容易忽略應該做什么樣的設置。這個(gè)小小的疏忽有可能會(huì )使本來(lái)很有銷(xiāo)路的產(chǎn)品變得無(wú)人問(wèn)津。對于如何處理不用的引腳，每個(gè)微控制器都提供了不同的建議，仔細查看數據表后就會(huì )明白應該如何處理。例如，根據某芯片供應商提供的電池預算數據表中的建議，任何不用的I/O引腳的輸出和驅動(dòng)都應設置為低功率狀態(tài)，其目的是最大限度地降低泄漏和靜態(tài)電流，從而將用電量降到最低。盡管這些引腳泄漏的電流很小，但日積月累，也會(huì )消耗掉很多電量。
方法3：關(guān)閉不用的MCU外圍設備
就像在家里一樣，為了節約用電，哪個(gè)房間沒(méi)人就應該把哪個(gè)房間的燈關(guān)閉。微控制器也一樣。若有模數轉換器或脈寬調制器這種不用的外圍設備，應將其關(guān)閉以節約用電。外圍設備的耗電量非常大！你可以從數據表中選擇一款最喜歡的微控制器，并瀏覽數據表的耗電量數據，看其外圍設備的耗電量是多少。有些供應商不提供這方面的信息，工程師可以在臺架上安裝一些硬件，并使用測試軟件通過(guò)打開(kāi)、關(guān)閉外圍設備獲取其電流信息。在所有的外圍設備中，模數轉換器及USB外圍設備所消耗的電量往往最大。
方法4：關(guān)閉不用的MCU時(shí)鐘
既然所有不用的外圍設備都已關(guān)閉，為其設置時(shí)鐘信號也就沒(méi)有多大意義了。為了傳遞時(shí)鐘信號，為微控制器內部不同的外圍設備設置時(shí)鐘信號會(huì )消耗很多電量(內部的時(shí)鐘脈沖門(mén)需要通電)。這些脈沖門(mén)需要提供電壓和少量電流。為了將MCU的耗電量降到最低，應關(guān)閉所有不用的時(shí)鐘。雖然這樣做短時(shí)間內能節省的電量并不多，但是聚沙成塔，時(shí)間長(cháng)了省下的電量也會(huì )非常驚人！
方法5：使用省電模式
當前所有的微控制器都提供省電模式。其中采用的理念是將處理器和外圍設備設置為一種近似關(guān)閉或停止但同時(shí)又可以快速切換至正常工作的狀態(tài)，以最大程度地降低耗電量。大多數微控制器支持至少三種用電模式，然而更高級的處理器支持的用電模式甚至超過(guò)了七種，開(kāi)啟、空閑和備用是最常見(jiàn)的三種用電模式。對某運營(yíng)商提供的耗電量檢驗結果數據表顯示，開(kāi)啟模式、空閑模式和備用模式下微控制器所需的電流分別為24mA、5.6mA和0.1mA，差異非常大。適當使用省電模式可以大大延長(cháng)電池的使用時(shí)長(cháng)。
方法6：調節系統時(shí)鐘的頻率
MCU采用的時(shí)鐘頻率也是可以延長(cháng)電池使用時(shí)長(cháng)的一個(gè)潛在因素。CPU時(shí)鐘頻率和運行微型處理器所需電流量之間有直接的線(xiàn)性關(guān)系。從圖1中可看出，時(shí)鐘頻率越高，所需的電流也越高。不斷調節微控制器的時(shí)鐘頻率是一種省電的好方法。當需要進(jìn)行密集計算或快速操作時(shí)，可調高時(shí)鐘頻率。當任務(wù)完成，系統在低頻率狀態(tài)下運行時(shí)，可調低時(shí)鐘頻率。調節系統時(shí)鐘的頻率有可能會(huì )將電池使用時(shí)長(cháng)延長(cháng)數小時(shí)。請注意，這是一項復雜的操作。在調整時(shí)鐘頻率之后，所有跟蹤時(shí)鐘信號的外圍設備都必須相應地更新其時(shí)鐘分頻器的設置，使分頻器保持相同的運行速率。
方法7：使用高效的算法
使用高效算法基于這樣一個(gè)事實(shí)：系統在低功率模式和低頻率狀態(tài)下運行的時(shí)間越長(cháng)，電池的使用時(shí)長(cháng)就會(huì )相應增加。使用高效、快速的算法可延長(cháng)系統在省電模式下運行的時(shí)間。在省電模式下，系統所需電流僅相當于在全開(kāi)模式下所需電流的很小一部分。應嘗試讓所設計的軟件和系統在完成必要的操作之后，隨即進(jìn)入低功率模式。但愿這樣做不僅可以延長(cháng)電池使用時(shí)長(cháng)，還可以使電池變得更小、更輕便和更便宜。
方法8：注意泄漏電流較大的器件
設計電路時(shí)，必須對泄漏電流和靜態(tài)電流有充分的了解。如必要，應構建出電路原型并驗證其電流消耗。應注意需要高待機電流和低上拉電流或低下拉電流的器件，確保將該信息寫(xiě)入電池預算中。
方法9：選擇可關(guān)閉的外部組件
在硬件設計期間選擇組件時(shí)，選擇具有低功率模式或可以關(guān)閉的傳感器及外部組件非常有用。像EEPROM、閃存和傳感器這樣的外部組件通常都支持低功率模式。如果它們不支持低功率模式，可以通過(guò)幾種方法關(guān)閉這些外部組件。其中一個(gè)方法是設計開(kāi)關(guān)(例如FET)，之后利用開(kāi)關(guān)打開(kāi)或關(guān)閉外部組件。該方法存在的一個(gè)問(wèn)題是，工程師需在設計中包含一個(gè)至少0.3V~0.7V的二極管電壓降，否則會(huì )影響組件的運行。第二個(gè)方法是使用一個(gè)帶有使能/去使能引腳的校準器。
方法10：為器件添加一條電壓和電流監控電路
工程師需要根據數據做出設計決策。在很多情況下，電池使用時(shí)長(cháng)優(yōu)化是項目中的最后一環(huán)。項目團隊會(huì )首先實(shí)現產(chǎn)品的其它特性，直到產(chǎn)品進(jìn)入生產(chǎn)線(xiàn)之前，他們才開(kāi)始想辦法延長(cháng)電池的使用時(shí)長(cháng)。通過(guò)兩條簡(jiǎn)單的電路對電池的電壓和電流進(jìn)行監測是了解系統電池性能最好的方法之一。監測信息可被記錄下來(lái)，以便用來(lái)確定放電/充電周期及穩態(tài)電流，并從電量使用的角度真正了解系統如何運行。憑借此方法，實(shí)施本文中介紹的任意一種省電方法后，就可以確定節約了多少電。
這些省電方法也適用于那些難以省電的、耗電量較大的器件。由于這些省電方法會(huì )降低系統耗電量、提高系統運行效率，因此在產(chǎn)品設計期間就應該想到這些方法，而不是在產(chǎn)品推出時(shí)才關(guān)注這一問(wèn)題。希望傳感器的最新設計方案能充分延長(cháng)電池的工作時(shí)長(cháng)。省電快樂(lè )！ |
