设计超低功耗的嵌入式应用：简化电源域

1、设计超低功耗的嵌入式应用：简化电源域 不是全部便携式系统都像图1(参见本系列文章的其次部分)所示的系统这么容易。图3给出了可穿戴设备的典型方框图。因为存在大量功能块和子系统，设计复杂性进一步提高。 图3：手表的高层次方框图一个符合规律的方法是将囫囵系统拆分为不同的子系统，并分析各个子系统的功耗。这也有助于简化电源域的设计，从而实现低功耗功能。显示和触摸控制器部分的功耗主要取决于背光驱动和显示屏本身。大多数设计都针对显示屏采纳基于定时器的超时断电模式。普通说来，在固定时光t1后，背光会降至50%的占空比，又过了时光t2后，显示屏会彻低关闭。这时即使是触摸控制器也可被关闭或进入断电模式，详细取决于

2、用法情境。这样，设计人员就可绘制这个功能块的曲线，进而获得典型电流。无线控制器(如面对的控制器)通常是低功耗的。这种控制器能通过一定方式在凹凸功耗模式之间切换。无线控制器数据表中的典型数值是我们在不对系统性能分析状况下能获得的最贴近的功耗估算数据。不过我们要记住考虑到器件在不同电源模式之间的占空比。电流主要取决于激励电流和(afe)的功耗。的p 4等器件拥有等内置模拟功能和其它afe组件，这就使得设计人员能通过固件指令给不同的功能块动态断电。这种控制和精细粒度级别可进一步提凹凸功耗设计的效率。对涉及多控制器和多工作模式的复杂设计而言，在电源设计时要注重适应不同的可控电源域。这样，一个待机电源域

3、上的单个控制器就能有效控制其它域。这种架构或许成本会比较高，但却能保持十分低的功耗。在明确各个子部分后，可采纳以下几种办法对每个子部分举行功耗优化：1. 关闭调整器以关闭囫囵子部分2. 将不用法的外设举行断电3. 用法微控制器的低功耗模式降低平均功耗实现低功耗的最有效办法就是关闭用于向给定子部分供电的调整器。假如某个特别的子部分不需要长久可用，其功能不具备时光关键性，那么其调整器自身可被主机控制器控制。传感器就是一个很好的子系统例子，当系统不运行时可将其关闭。唯一消耗的漏电流将会是调整器的电流。假如不能将囫囵子部分断电，那么可考虑子部分的各个外设和组件。举例来说，在传感器部分中，可能有些传感器

4、需要继续测量，有些则不需要。假设有一个测量温度的热敏、一个加速计和一个ir传感器。加速计需要频繁检查是否有活动状况，系统的其余部分需要据此实现唤醒。与此形成对照的是，和 ir传感器大多数时光并不需要工作。下面让我们谈谈热敏电阻的激励(见图4)。在本例中，无论是否举行测量，电流都会通过热敏电阻和参考电阻。图4：典型的热敏电阻激励电路现在，假如5所示修改热敏电阻电路，那么当传感器不被采样时就能避开电流消耗。图5：面对低功耗的热敏电阻激励在本例中，引脚配置为强输出模式()。要测量传感器输出时就将引脚驱动到低电平。这会使热敏电阻通过nmos晶体管衔接到vss。唯一需要考虑的额外电阻就是nmos晶体管的

5、导通电阻，该电阻基本十分低。当不需要测量传感器输出时，则将引脚驱动到高电平。这会使热敏电阻衔接到vdd，从而实现传感器电路上的电流为零。因为加速计也不需要随时被采样，因此adc和其它模拟组件(如运算或模拟信号链中的参考生成器)可在不需要检测信号时举行断电。采纳soc实现此电路时，还有许多其它办法来降低功耗，我们下面将加以介绍。设想一下图3所示的系统，控制器可进入冬眠模式而主机处理器在感应到i2c指令时可将其唤醒。在采纳 4实现电路的状况下，功耗可低至20 na。同样，假如传感器子部分用低功耗模式实现且将关闭全部元件，则可在有运动状况下用中断唤醒。加速计输出可衔接到比较器，确保只要一有运动就能唤

6、醒器件，并触发主机处理器的大事。就基于soc构建的系统而言，还可采纳其它技术来降低平均功耗。举例来说，全部外设的时钟都可设定为最慢的时钟频率，因为动态功耗与开关频率成正比，因此这么做就能节省耗电。再举例来说，soc中的adc的时钟频率通常应与所需的采样率成正比。假如adc设置的采样率高于实际的系统需求，那就会造成不须要的电池负载。还有其它一些系统级技巧可用来降低整体功耗。举例来说，器件输出可支持较低转换率以降低辐射。不过，较低转换率会导致fet的引脚驱动级消耗更多电流，由于pmos和nmos都会开启更长的时光。按照系统允许的辐射量，引脚的转换率凹凸可举行调整设置。我们挑选的器件假如能提供多种电源模式，而且能实现较高集成度，并对soc的电源状态实现较好控制，这就能简化低功耗系统的实现过程。按照应用的不同，我们可有效利用不同的电源模式来确保较低的