低功耗電池供電嵌入式應用的設計考量

1. 硬件考量：

a. 電池類型：

在嵌入式應用中主要有以下類型的電池：

i. )標準堿性電池

iii. )可充電電池: 可充電堿性電池，鋰離子電池

iii. )鈕扣電池

對于各種廣泛低功耗嵌入式應用而言，為系統(tǒng)充電不是合理的使用案例模型。這里無需為這些應用使用可充電電池。我們來比較一下另外兩種在低功耗應用中有用的電池以及在為設計選擇電池時需考慮的因素。

標準堿性電池：標準AA電池的典型容量大約為1500mAh，不僅可輕松提供數(shù)百mA的峰值電流，而且還能夠以50mA的恒定速率放盡電流。

堿性電池能為應用提供高峰值電流，因此系統(tǒng)能夠在并列使用其全部專用外設（定時器與通信模塊等）的同時，在其最高時鐘頻率下運行，從而可在盡快完成各項任務后，快速進入低功耗工作模式。

鈕扣電池：鈕扣電池具有極高的內(nèi)部電阻，因此不能承受高峰值電流。在應用超過20mA的峰值電流時，即便持續(xù)時間很短，其有效電壓也會大幅下降。因此對于使用鈕扣電池供電的設計而言，強烈建議設計使用能在2V或以下電壓下工作的組件。微控制器的掉電電壓應低至能避免在鈕扣電池提供高峰值電流時系統(tǒng)出現(xiàn)意外復位的水平。

此外，我們還需要采取預防措施來降低系統(tǒng)所需的峰值電流。降低峰值電流的途徑包括：

● 降低CPU時鐘頻率

● 通過隨時分配負載，避免一次性啟用所有內(nèi)部模塊

● 在外部組件及內(nèi)部模塊未使用時，減少對它們的供電

b. 設置正確的微控制器：

要讓低功耗應用中的靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗保持最低，最重要的是選擇具有所需外設集的微控制器，其可在所需電源模式下工作。根據(jù)需要，系統(tǒng)設計人員可選擇合適的微控制器，該微控制器支持低功耗模式下其應用所需的外設集。

以需要LCD較長時間工作的應用為例。通過選擇可在低功耗模式下運行該LCD的微控制器，開發(fā)人員可最大限度降低功耗。這類微控制器的典型實例就是賽普拉斯的PSoC 4，其可讓LCD顯示器以僅3uA的流耗進入深度睡眠模式。復雜應用的情況類似，我們需要進行利弊權衡，確定能以最低平均功耗完成每項任務的適當微控制器。

c. 選擇合適的無源組件：

上拉電阻器和下拉電阻器是支持接口開關及I2C器件等的常用組件。有時在低功耗設計中，這些上拉及下拉電阻器消耗的電源比系統(tǒng)其它部分還大。要降低其功耗，需要使用更大的電阻值。這樣可降低流經(jīng)它們的電流量。但它同時會增大RC時間常數(shù)，因此會降低系統(tǒng)對高頻率信號的響應能力。

例如，為I2C線路使用高阻值上拉電阻器會降低I2C通信的速度，因為增大了I2C線路的壓擺率。因此這些電阻器值可決定影響最終設計的各種因素之間的權衡取舍。

同樣，在為設計選擇電容器時，應避免電解電容器，因為它們具有極高的漏電流。薄膜電容器和陶瓷電容器能以合理的成本提供超低的漏電流，可考慮用于低功耗系統(tǒng)設計。

d. 審慎使用I/O：

避免在系統(tǒng)中隨機分配控制器I/O引腳。如果引腳隨機分布在不同端口，則需要對每個端口單獨處理，這樣會增加控制它們所需的寄存器寫入數(shù)。為解決這一問題，可以按最小端口數(shù)對輸入引腳和輸出引腳進行分組，從而實現(xiàn)以最小的寄存器寫入數(shù)完成讀取與寫入。

在引腳用于驅(qū)動LED和其它類似負載的地方，應使用引腳的開漏驅(qū)動模式，這些負載的一端固定在VDD或接地上。這種驅(qū)動模式可降低通過I/O引腳的漏電流，因此可降低功耗。

e. 選擇正確的外設：

在系統(tǒng)設計中應使用支持低功耗模式、在工作模式下支持低功耗的外設組件，以降低設計的總體功耗。

f. 審慎使用系統(tǒng)時鐘：

定義系統(tǒng)時鐘的行為有助于降低系統(tǒng)功耗。遵循通用系統(tǒng)時鐘相關設計實踐可幫助在幾乎每個系統(tǒng)中實現(xiàn)低功耗。

● 在系統(tǒng)中使用低頻率時鐘降低動態(tài)功耗。

● 在執(zhí)行計算密集型任務時提升系統(tǒng)時鐘，可通過縮短完成任務的時間，降低平均功耗。

● 優(yōu)先使用系統(tǒng)時鐘，而非外部時鐘。

● 在CPU等待通信傳輸完成時，應關閉CPU，只開啟通信模塊的時鐘。在完成該任務后，它可獲得一個中斷信號，恢復代碼執(zhí)行。

g. 電流門控：

一般情況下，熱敏電阻等無源傳感器工作在分壓器模式下，因此一直都在消耗系統(tǒng)電流。為降低這種情況下的功耗，我們可以在通過采樣傳感器網(wǎng)絡獲得相關數(shù)據(jù)之前為其提供電源，并在數(shù)據(jù)采樣完成后切斷電源。這在傳感器需要定期讀取的情況下才有用。

但當傳感器必須保持工作狀態(tài)才能檢測環(huán)境中的異?，F(xiàn)象時，CPU可在整個傳感過程中保持低功耗模式。CPU一旦收到傳感器的中斷/數(shù)據(jù)信息，就會恢復工作模式。類似邏輯可用于讀取開關狀態(tài)，以判斷它是處于開啟還是關閉狀態(tài)。