物聯(lián)網(wǎng)時代產(chǎn)品設(shè)計如何實現(xiàn)低功耗

　　隨著科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。在產(chǎn)品性能體驗上，更多的廠商越來越重視低功耗設(shè)計，而電路與系統(tǒng)的低功耗設(shè)計也一直都是電子技術(shù)人員設(shè)計時需要考慮的重要因素。特別是最近兩年很火爆的穿戴產(chǎn)品，智能手表等都是鋰電池供電，如果采用同樣容量大小的鋰電池進行測試，不難發(fā)現(xiàn)電子產(chǎn)品低功耗做的好的，工作時間越長性能越好。

　　那么如何考慮低功耗設(shè)計？從大體方向來看，目前的低功耗設(shè)計主要從芯片設(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計兩個方面考慮：

　　一是隨著半導(dǎo)體工藝的飛速發(fā)展和芯片工作頻率的提高，芯片的功耗迅速增加，而功耗增加又將導(dǎo)致芯片發(fā)熱量的增大和可靠性的下降。因此，功耗已經(jīng)成為深亞微米集成電路設(shè)計中的一個重要考慮因素。

　　二是在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計主要應(yīng)用于便攜式和移動性較強的產(chǎn)品中，而這些產(chǎn)品不是一直都有充足的電源供應(yīng)，往往是靠電池來供電，所以設(shè)計人員從每一個細(xì)節(jié)來考慮降低功率消耗，從而盡可能地延長電池使用時間。

　　事實上，從全局來考慮低功耗設(shè)計已經(jīng)成為了一個越來越迫切的問題。因此，低功耗設(shè)計排在電子產(chǎn)品設(shè)計的重要地位。經(jīng)專家認(rèn)真分析總結(jié)，將低功耗設(shè)計的方法總結(jié)如下：

　　其一，要明白功耗分為工作時功耗和待機時功耗，工作時功耗分為全部功能開啟的功耗和部分功能開啟的功耗。對于一個電子產(chǎn)品，總功耗為該產(chǎn)品正常工作時的電壓與電流的乘積，這就是低功耗設(shè)計的需要注意事項之一。

　　其二，是模塊工作的選擇控制，一般選擇具有休眠功能的芯片。比如在設(shè)計一個系統(tǒng)中，如果某些外部模塊在工作中是不經(jīng)常使用的，可以使其進入休眠模式或者在硬件電路設(shè)計中采用數(shù)字開關(guān)來控制器工作與否，當(dāng)需要使用模塊時將其喚醒，這樣我們可以在整個系統(tǒng)進入低功耗模式時，關(guān)閉一些不必要的器件，以起到省電的作用，延長了待機時間。

　　其三，選擇具有省電模式的主控芯片?，F(xiàn)在的主控芯片一般都具有省電模式，通過以往的經(jīng)驗可以知道，當(dāng)主控芯片在省電模式條件下，其工作電流往往是正常工作電流的幾分之一，這樣可以大大增強消費類產(chǎn)品電池的使用時間。

　　其四，功耗的測試。功耗測試分為模塊功耗和整機功耗，模塊功耗需要測試休眠時功耗和工作時功耗。整機功耗分為最大負(fù)荷工作時功耗和基本功能時功耗和休眠時功耗。

　　為了使產(chǎn)品更具競爭力，工業(yè)界對芯片設(shè)計的要求已從單純追求高性能、小面積轉(zhuǎn)為對性能、面積、功耗的綜合要求。而微處理器作為數(shù)字系統(tǒng)的核心部件，其低功耗設(shè)計對降低整個系統(tǒng)的功耗具有重要的意義。

　　關(guān)于FPGA低功耗設(shè)計，可從兩方面著手：一是算法優(yōu)化; 二是FPGA資源使用效率優(yōu)化。

　　算法優(yōu)化可分為兩個層次說明：實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方法。首先肯定需要設(shè)計一種最優(yōu)化的算法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，設(shè)計一種最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，使資源占用達到最少，當(dāng)然功耗也能降到最低，但是還需要保證性能，是 FPGA設(shè)計在面積和速度上都能兼顧;另一個層面是具體的實現(xiàn)方法，設(shè)計中所有吸收功耗的信號當(dāng)中，時鐘是罪魁禍?zhǔn)住ｋm然時鐘可能運行在 100 MHz，但從該時鐘派生出的信號卻通常運行在主時鐘頻率的較小分量。此外，時鐘的扇出一般也比較高。這兩個因素顯示，為了降低功耗，應(yīng)當(dāng)認(rèn)真研究時鐘。

　　資源使用效率優(yōu)化是介紹一些在使用FPGA內(nèi)部的一些資源如BRAM，DSP48E1時，可以優(yōu)化功耗的方法。FPGA動態(tài)功耗主要體現(xiàn)為存儲器、內(nèi)部邏輯、時鐘、I/O消耗的功耗。其中存儲器是功耗大戶，如xilinx FPGA中的存儲器單元Block RAM，因此在這邊主要介紹對BRAM的一些功耗優(yōu)化方法。

　　如何進行低功耗設(shè)計，大家肯定想到MSP430，MSP430的特長就是進行低功耗。使用這片芯片，能使得產(chǎn)品的大腦——微控制器的功耗更低。但是，進行這樣的處理就能得到低功耗的產(chǎn)品或設(shè)計了嗎？一個產(chǎn)品的低功耗設(shè)計，并不僅僅只是采用一個低功耗的MCU就能解決的問題。產(chǎn)品的低功耗，不久取決于MCU的低功耗，也取決于低功耗的外圍硬件電路。

　　一、低功耗系統(tǒng)的電源電路。對于在電池不同的電壓時，分別要進行升壓或者降壓的電路，可以使用低功耗的升降壓穩(wěn)壓電路，如TI的TPS630，可以在1.8V~5.5V電壓范圍內(nèi)，穩(wěn)定地輸出3.3V電壓。當(dāng)然，這種電路比低功耗LDO的功耗要略高，它靜態(tài)功耗為30~50uA。另外，當(dāng)產(chǎn)品不需要一直待機時，可以采用受程序控制進行斷電的電源開關(guān)電路。讓產(chǎn)品在不使用時自動斷電，從而功耗更低。

　　二、外部電路的電源管理。采用帶關(guān)斷功能的器件。對于不需要一直工作的當(dāng)外圍器件，當(dāng)不工作時，盡量關(guān)斷該部分電源，以達到更低的功耗。對某些沒有關(guān)斷管腳的電路，可以采用MOS管、CMOS驅(qū)動器等電路實現(xiàn)電源開關(guān)，對局部的電路進行電源管理。當(dāng)然，如果能采用零功耗的外圍電路就是更理想的了。

　　三、避免IO口漏電流。當(dāng)外圍電路沒有電源時，IO口仍然可能會是潛在的電源輸出。所以當(dāng)外圍電路斷電后，IO狀態(tài)應(yīng)設(shè)置為輸入狀態(tài)或者輸出低電平狀態(tài)，避免漏電流。

　　四、低功耗的信號調(diào)理電路。對于各種傳感器，大量信號調(diào)理電路被采用。而非常多的經(jīng)典的信號調(diào)理電路卻并沒有考慮功耗問題。對于低功耗產(chǎn)品設(shè)計，應(yīng)該采用低功耗的信號調(diào)理電路。比如采用低功耗運放，TLV2241等每運放功耗僅1uA。低功耗的同向放大器或反向放大器，低功耗的I/V變換電路，低功耗的儀表放大器等等。

　　總的來說，低功耗設(shè)計是物聯(lián)網(wǎng)時代發(fā)展需求，對產(chǎn)品性能的提升具有重要的意義。為此，電子發(fā)燒友網(wǎng)舉辦2015第二屆物聯(lián)網(wǎng)大會，將評估IoT各領(lǐng)域的商業(yè)機會，并關(guān)注IoT重要技術(shù)節(jié)點以及關(guān)鍵創(chuàng)新產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀，探討完善的產(chǎn)品創(chuàng)新解決方案，同時將針對業(yè)界面臨的諸多挑戰(zhàn)舉辦專題研討會，討論物聯(lián)網(wǎng)時代下各種解決方案以創(chuàng)造IoT長遠發(fā)展。