低功耗产品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，他们希望从其物联网设计的受限功率预算中榨出最后一毫瓦。那是因为它提供高性能，同时消耗很少的能量。

Arm 是一家知识产权 (IP) 供应商，将其处理器专有技术出售给芯片制造商，然后芯片制造商将设计作为独立处理器或作为片上系统 (SoC) 的一部分嵌入到自己的硬件中。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，当处理器运行时预计每兆赫兹 10 微瓦左右的功耗并不是不合理的。而且这不会影响性能；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Bluetooth®中的收音机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的功率。当您只有很少的功率预算并且用户期望电池寿命长达数月时，这是一个巨大的数目。当今最先进的短程无线 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、材料和制造方面的进步，处理器、内存、无线电、模数转换器 (ADC)、线性稳压器 (LDO) 等的功耗与几年前相比只是一小部分. 这使设计人员有机会显着延长其产品的电池寿命或通过使用更小的电池来缩小其外形尺寸。

然而，让任何两名工程师使用同一盒低功耗比特为给定应用设计解决方案，最终的设计将具有完全不同的电池寿命。而且不仅仅是百分之几。在充分利用电池能量方面，一种设计的效率只有另一种设计的一半并不罕见。差异归结为设计师的技能和经验。这使得产品背后的人对其功耗产生最重要的影响。

技术娴熟的低功耗产品设计师知道什么对我们其他人来说是新闻？它归结为硬件选择、良好的编码、测试和睡眠。充足的睡眠。

外围设备是最重要的

经验丰富的设计人员知道，决定能耗的不仅仅是处理器、无线电和内存等关键组件，外设也很重要。当电池寿命以月为单位时，如果效率低下，即使是低被动也可以节省几天的能量。

好的设计选择包括具有低能量需求和静态电流的外围设备，这已经不是什么新闻了。但考虑设备的使用方式也很重要。例如，考虑一个内置加速度计；如果应用程序只需要知道它何时被倒转，那么最好确保这是加速度计报告其位置的唯一时间，而不是连续传输每个微小的运动。

还需要注意选择功耗最小的组件。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支持应用需求非常重要。这种方法应该扩展到电路中不太明显的部分。例如，当分压器用于降低 ADC 的电压时，其设计应使其通过分流电阻消耗的功率最少。另一个常见的失败是设计信号下拉，使它们将电压拉至地，但不会最小化电流泄漏。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

一旦电路组装好，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东西，因为这样启动周期会花费太长时间并影响用户体验。但大多数现代低功耗组件都具有各种待机和睡眠模式，在这些模式下，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，有经验的工程师会检查他或她的代码以查找可能产生不必要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，在不需要外围设备时启动外围设备，或者在执行任务后无法让它们进入睡眠状态。

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细微的东西，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得不到——当它可以进入休眠状态时。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，可以设置一个计时器来唤醒处理器，这样即使应用程序此时不需要这些信息，它也可以读取一些传感器数据。

经验不足的设计人员常犯的另一个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日志记录。危险在于产品离开工厂并在现场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。设计良好的无线设备在低功耗和活动模式之间不断变化，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不频繁的峰值消耗事件，这些事件可能仍会对电池寿命产生重大影响。

全面了解的最佳方法是使用成熟的功率分析仪详细了解长期功耗。这样，设计人员就可以清楚地识别低功率无线设计中常见的瞬态功率尖峰，并确保每个尖峰都与绝对必要的活动相对应。这种技术的缺点是功率分析仪非常昂贵、非常笨重，并且受到总工程师的严密保护。

有一些更便携且更便宜的设备选项可以提供无线设备功耗的相当详细的视图。一个例子是Nordic 的 Power Profiler Kit II。只需不到 100 美元，设计人员就可以使用此测试工具检查其产品的功耗，然后使用运行模拟器的免费在线功率分析器将其与预期行为进行比较。该估计值可以与 Power Profiler 套件的结果交叉引用，以突出显示任何异常，然后可以更仔细地检查这些异常以找出其原因。

结论

明天的低功耗设备将使今天的设备看起来像贪婪的怪物。但由于当前的供应链挑战，它们还需要一段时间才能现成可用。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次就把所有事情都做对。这使得对现有产品的审查变得有价值，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。

审核编辑 黄昊宇