如今，由電池驅(qū)動的便攜式設備已蔓延到社會的各個角落。移動計算和感應裝置也在不斷涌現(xiàn)，為工程師們提供了大量數(shù)據(jù)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間間隔，因此減小電池的尺寸和重量就變得更加難以實現(xiàn)了。選擇低功耗微電子整流器顯然是解決這個問題的第一步，然而還有很多種通過軟件和硬件省電的方法，這些方法可以確保每毫安時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器件所需的電流進行統(tǒng)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(shù)據(jù)表列出了每個器件所需的最低標準及最大電流。據(jù)保守方法估計，電池預算僅基于器件所需的最大電流值進行。既然excel工作表格易于復制，可以分別依據(jù)標準和最大電流進行電池預算，這將提供一個更全面的電流范圍。如果需要更多的電池，請不要擅自推進計劃，預先做些必要的改變可避免在接下來的數(shù)周或數(shù)月內(nèi)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。這個小小的疏忽有可能會使本來很有銷路的產(chǎn)品變得無人問津。對于如何處理不用的引腳，每個微控制器都提供了不同的建議，仔細查看數(shù)據(jù)表后就會明白應該如何處理。例如，根據(jù)某芯片供應商提供的電池預算數(shù)據(jù)表中的建議，任何不用的I/O引腳的輸出和驅(qū)動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，也會消耗掉很多電量。
方法3：關閉不用的MCU外圍設備
就像在家里一樣，為了節(jié)約用電，哪個房間沒人就應該把哪個房間的燈關閉。微控制器也一樣。若有模數(shù)轉(zhuǎn)換器或脈寬調(diào)制器這種不用的外圍設備，應將其關閉以節(jié)約用電。外圍設備的耗電量非常大！你可以從數(shù)據(jù)表中選擇一款最喜歡的微控制器，并瀏覽數(shù)據(jù)表的耗電量數(shù)據(jù)，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打開、關閉外圍設備獲取其電流信息。在所有的外圍設備中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器及USB外圍設備所消耗的電量往往最大。
方法4：關閉不用的MCU時鐘
既然所有不用的外圍設備都已關閉，為其設置時鐘信號也就沒有多大意義了。為了傳遞時鐘信號，為微控制器內(nèi)部不同的外圍設備設置時鐘信號會消耗很多電量(內(nèi)部的時鐘脈沖門需要通電)。這些脈沖門需要提供電壓和少量電流。為了將MCU的耗電量降到最低，應關閉所有不用的時鐘。雖然這樣做短時間內(nèi)能節(jié)省的電量并不多，但是聚沙成塔，時間長了省下的電量也會非常驚人！
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閉或停止但同時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(shù)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了七種，開啟、空閑和備用是最常見的三種用電模式。對某運營商提供的耗電量檢驗結(jié)果數(shù)據(jù)表顯示，開啟模式、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電池的使用時長。
方法6：調(diào)節(jié)系統(tǒng)時鐘的頻率
MCU采用的時鐘頻率也是可以延長電池使用時長的一個潛在因素。CPU時鐘頻率和運行微型處理器所需電流量之間有直接的線性關系。從圖1中可看出，時鐘頻率越高，所需的電流也越高。不斷調(diào)節(jié)微控制器的時鐘頻率是一種省電的好方法。當需要進行密集計算或快速操作時，可調(diào)高時鐘頻率。當任務完成，系統(tǒng)在低頻率狀態(tài)下運行時，可調(diào)低時鐘頻率。調(diào)節(jié)系統(tǒng)時鐘的頻率有可能會將電池使用時長延長數(shù)小時。請注意，這是一項復雜的操作。在調(diào)整時鐘頻率之后，所有跟蹤時鐘信號的外圍設備都必須相應地更新其時鐘分頻器的設置，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事實：系統(tǒng)在低功率模式和低頻率狀態(tài)下運行的時間越長，電池的使用時長就會相應增加。使用高效、快速的算法可延長系統(tǒng)在省電模式下運行的時間。在省電模式下，系統(tǒng)所需電流僅相當于在全開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(tǒng)在完成必要的操作之后，隨即進入低功率模式。但愿這樣做不僅可以延長電池使用時長，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，必須對泄漏電流和靜態(tài)電流有充分的了解。如必要，應構(gòu)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，確保將該信息寫入電池預算中。
方法9：選擇可關閉的外部組件
在硬件設計期間選擇組件時，選擇具有低功率模式或可以關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，可以通過幾種方法關閉這些外部組件。其中一個方法是設計開關(例如FET)，之后利用開關打開或關閉外部組件。該方法存在的一個問題是，工程師需在設計中包含一個至少0.3V~0.7V的二極管電壓降，否則會影響組件的運行。第二個方法是使用一個帶有使能/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(jiān)控電路
工程師需要根據(jù)數(shù)據(jù)做出設計決策。在很多情況下，電池使用時長優(yōu)化是項目中的最后一環(huán)。項目團隊會首先實現(xiàn)產(chǎn)品的其它特性，直到產(chǎn)品進入生產(chǎn)線之前，他們才開始想辦法延長電池的使用時長。通過兩條簡單的電路對電池的電壓和電流進行監(jiān)測是了解系統(tǒng)電池性能最好的方法之一。監(jiān)測信息可被記錄下來，以便用來確定放電/充電周期及穩(wěn)態(tài)電流，并從電量使用的角度真正了解系統(tǒng)如何運行。憑借此方法，實施本文中介紹的任意一種省電方法后，就可以確定節(jié)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降低系統(tǒng)耗電量、提高系統(tǒng)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)品推出時才關注這一問題。希望傳感器的最新設計方案能充分延長電池的工作時長。省電快樂！ |
