低功耗嵌入式设计简介

　　当产品主要设计用于电池供电时，一切都会发生变化。小型电池存储的能量非常有限，但消费者想要非常紧凑（读作“对于大尺寸电池来说太小”）并且不需要充电的高性能（读作“高功率”）设备每二十分钟。设计师要做什么？
　　我确信电池工程师正在非常努力地帮助我们，但这并不能改变这样一个事实：我们希望充分利用当前可用的任何能量存储技术。这意味着，大大延长电池寿命的主要方法（通常也是方法）是设计“用更少的资源做更多的事情”的电路，即实现所需的功能，同时限度地减少必须从一个电池传输的电子数量。将电池的一侧连接到另一侧。
　　要事
　　在我们进一步讨论之前，我们需要确保每个人在术语方面都达成共识。
　　电流：这是电荷流过导体（或半导体）的速率。标准单位是安培，其定义为每秒库仑（电荷单位）。
　　能量：这个词指的是在完成某件事的过程中转移的神秘“属性”（例如，温度升高、物理运动、光的产生）。电池储存化学能，化学能可以转换为电能供电路使用。能量的标准单位是焦耳。
　　功率：在科学背景下，功率是能量从一种形式转换为另一种形式（例如从电能转换为热能，或电能转换为电磁辐射）的速率。单位是瓦特，定义为焦耳每秒。
　　电荷、能量、功率、电流。 。 。
　　我们通常从电流和功率的角度讨论电路，并从电荷或能量的角度讨论电池。例如，我们可以说某个特定的运算放大器消耗 1 mA 的电源电流；然而，如果电源电流取决于电源电压，那么这就是不完整的信息。功率规格包含这两个量，因为电功率的计算方式为电压乘以电流。
　　电池维持电子电路功能的容量以安培小时（或通常为毫安小时，缩写为 mAh）表示。从技术上讲，这是一个收费单位：
　　$$安\cdot小时=\frac{库仑}{秒}\cdot3600\秒=3600\库仑$$
　　因此，如果电路需要 1 mA（= 0.001 库仑每秒）的电流，则 1 mAh（= 3.6 库仑）电池可以维持该电路 3600（= 3.6/0.001）秒，也称为一小时。
　　认识到毫安时不是能量单位是一件好事，尽管我们可能将其视为给定电池在必须丢弃或充电之前可以提供多少总电能的一般指标。
　　电池的实际能量容量取决于可以提供多少电量和多长时间，其中功率的计算方式为电池提供的电流乘以电池端子之间的电压。 （这不是一个简单的计算，因为电压随着电池放电而降低。）虽然能量（以及能量容量）的标准科学单位是焦耳，但我们可以用更方便和直观的形式来表达焦耳，例如毫瓦·小时。
　　数字、模拟和无源
　　我们可以通过考虑不同类型的组件对总电流消耗的贡献方式来开始分析给定电路的功率要求。
　　数字的
　　以下众所周知的方程用于预测单个 CMOS 反相器的功耗：
　　$$P=fCV_{DD}^2$$

　　实际上，这只是动态功耗。历史上，CMOS 技术可确保非常低的静态功耗，但这种情况正在发生一些变化，因为随着 FET 的缩小，静态漏电流变得更加显着。尽管如此，我们将重点关注动态功耗，因为电路板设计人员无法采取太多措施来降低静态功耗。

　　每当输入从高电平转变为低电平或从低电平转变为高电平时，就会产生一阵电流。
　　无论如何，上式表明 CMOS 电路中的动态功耗取决于开关频率 (f)、负载电容 (C) 和VDD。我们对 IC 的内部负载电容无能为力，但我们确实可以对频率和 V DD进行一些控制。事实上，在寻求消除不必要的功耗时，这两个量是起点：降低时钟频率、降低电源电压。实际上，使用较低的电源电压也会降低静态功耗，但对动态功耗的影响更为明显。
　　模拟
　　没有简单、方便的公式可以应用于模拟（和混合信号）IC，但是一份好的数据表应该包含大量有关功耗的信息。这里要理解的重要一点是，您不能仅查看数据表的页来准确确定设备的电流消耗。

　　例如，AD8538运算放大器数据表的页显示“低电源电流：180 A”。这为您提供了一个总体思路，这很好，但真正的信息位于“典型性能特征”中：

　　在这里我们看到电源电流同时受到电源电压和温度的影响。 （感谢 Analog Devices 将坏情况下的电流消耗放在第 1 页。）
　　虽然一般情况下您可以预期更高的电源电压和更高的频率会导致更高的电流消耗（与数字 IC 一样），但您应该检查数据表以获取详细信息。
　　被动
　　我不会详细讨论无源元件的电流-电压关系，这并不完全是深奥的知识。此外，现代嵌入式系统通常没有很多无源器件——这里有一个去耦电容器，那里有几个增益电阻，可能还有电源线上的铁氧体磁珠。
　　然而，了解无源元件可能会消耗大量电流的情况。下面是两个例子：

　　上拉（或下拉）电阻：如果 3.3 V 系统中有 1 kΩ 上拉电阻，则只要相应信号驱动至逻辑低电平，该电阻就会消耗 3.3 mA 的电流，而单个电阻器则消耗 3.3 mA 的电流。在低速运行的复杂微控制器拉电流小于 1 mA 的时代，电流非常大。

　　如果您的 I2C 总线经常处于活动状态并且您使用低阻值电阻来实现更高的通信频率，那么您可能会在此处消耗大量电流。
　　分压器：假设您正在使用电阻分压器来降低电源电压的幅度，以便您可以使用 ADC 监控该电压。这里有一条从 VDD 到地的电阻路径，该路径始终处于活动状态（与上拉电阻相关的间歇路径相反）。请记住在选择电阻值时牢记您的功耗目标。