【选型】如何实现电池供电产品的低功耗设计？

时间： 2019-09-05 来源：世强作者：风起云扬

技术问答

水表、气表、手持设备等等，在现实生活中，随处可见电池供电产品，他给人们的生活带来了极大的方便，但对于我们的攻城狮而言，除了也享受着方便以外，更多的要思考如何让电池用的更久？如何降低电池使用成本？作为从事过低功耗设计的过来人，愿意将该经验总结与大家分享。

首先，我们所说的低功耗，是指系统的低功耗。系统低功耗，与多个因素有关，比如所选MCU的特性，比如硬件设计，比如解决任务的任务软件等等。如下，将一一介绍。

一、主控MCU的选择

在低功耗系统中，MCU自身的功耗，会占有较大比例，一般为30~50%，因此，可以看出，MCU自身功耗很重要。

一般情况下，在一系统中，MCU居于主导地位，在系统功耗设计中，也同样如此。为了实现系统低功耗，在选择MCU时，此处以SILICON LABS的EFM8SB及EFM32 低功耗MCU为例，主要从以下几个因素加以考虑：

1）自身功耗指标

自身功耗，主要包括工作功耗及休眠功耗。工作功耗，即工作时功率密度，单位是μA/MHz，休眠功耗，是静态指标，单位是nA。在选择时，直接比较这两个指标即可。EFM8SB的工作电流，最好为110μA/MHz，休眠电流为50nA，在8位机中，居于领先地位；EFM32的工作电流，最好为63μA/MHz，休眠电流为40nA，在32位MCU中，号称全球最低功耗MCU；

2）唤醒时间

MCU从休眠状态唤醒到工作状态，需要一定时间，这个时间称为唤醒时间，它越短，系统功耗会越低。EFM8SB以及EFM32从EM2到EM0的唤醒时间，都是2μS，同样为行业一流水平。

3）功耗模式

在执行任务时，一般会有不同阶段，在不同阶段，如果MCU允许客户选用不同的功耗模式来实现速度与功耗的均衡，则会有助于降低功耗。而EFM32拥有从EM0到EM4多达5个功耗模式，可供用户灵活选择，为实现最优功耗，奠定重要硬件基础。

4）外设特色

对于低功耗的MCU，如果外设具有低功耗特色，那么，也有助于降低系统功耗。对于EFM8SB，具有UART、IIC等通讯唤醒功能，EFM32具有低功耗的LEUART，具有自主LCD等低功耗外设，较其他MCU，可明显降低功耗。

5）开发环境

还要提一下的是，SiliconLabs的EFM8及EFM32拥有智能的开发环境，在开发中，通过“energyprofile”工具，可以实时查看功耗情况。

图1：EFM32MCU各外在不同功耗模式下的工作状况

二、硬件设计

在实现系统低功耗上，整个的硬件设计，占用决定性的作用。对于非MCU部分，主要注意以下因素：

1）器件的选择

这主要包括，电源芯片，逻辑器件，模拟器件，要选择动态、静态指标都低的器件，比如CMOS器件，比如带disabled控制功能的器件，等。

2）电容的选择

所有电容，都会有漏电的特性，而不同的电容，漏电是不同的，比如，铝电解电容漏电会比较大，达μA级以上，但钽电容漏电就会小很多，陶瓷电容基本无漏电。因此，在选择电容时，如果功耗指标很重要，则要尽量选择漏电小的器件。

3）电子器件参数的确定

电路中，一般会有上拉电阻、下拉电阻的要求。假如是3.3V电源系统，如果选用10K的上拉，当管脚为0电平时，此时的功耗会有（3.3/10000）0.33mA的功耗，而如果选用1MΩ的上拉，则只有（3.3/1000000）3.3μA，由此可见，在降低功耗上差别很大。因此，在电子器件参数上，在满足功能的前提下，要尽量选择能够实现低功耗低参数。

三、任务的理解及软件实现