電路設計超低功耗方法介紹

2020-03-17

電路設計之超低功耗是穿戴設備持之以恒的追求，最初PCB設計師在uA級別努力，而現在nA級別。超低功耗PCB設計方法有幾點：

組件選擇
從元件選擇開始，尤其是電容，PCB設計人員應盡量減少旁路電容的數量。因為每個電容在靜態狀態下也會消耗幾個nA的電流。

電路設計

①PCB設計人必須注意上下拉電阻的使用，原則是盡可能的選擇大一些的上拉電阻。

②控制負載的電壓以極大程度地減少電流消耗可進一步擴展到包括外部外圍設備和負載。

③單片機數字輸出引腳通?？商峁┖臀?span lang="EN-US">20至25 mA的電流。參考MCU數據手冊的“電氣特性”，以獲取單個引腳的電流源和灌電流以及所有端口的最大電流源或灌電流的總和。

④Microchip的MCP9700模擬溫度傳感器在工作時通常消耗6 μA的電流。通過在數字輸出引腳上接地，我們可以有效地關閉電路，節省6 μA。

⑤給設備加電時，請閱讀數據表以了解是否有開啟時間，然后再進行讀數。

⑥如果負載大于MCU數字引腳的拉電流或灌電流，則可以使用FET開關

⑦選用P溝道MOSFET有非常低的漏源電阻（R_DS）

MCU和低功耗設計
如今MCU制造商增加了許多有助于降低功耗的功能，在選擇MCU的時候就要做出考慮。

①為電路供電時，將系統電壓設置得盡可能低，以降低功耗。例如，以1 MIPS在3.3 V下運行的MCU可汲取700 μA。將電壓降低到1.8 V，同時保持相同的速度，電流消耗為370 μA，幾乎節省了50％。

②如果系統時鐘可以選擇，請選擇低系統時鐘頻率。

③降低開關速度，數字CMOS電路將消耗較少的電流。

④在不需要精度的情況下通過軟件關閉外部振蕩器電路，切換至內部振蕩器。MCU運行變慢，節省功率。

⑤關閉不需要的外圍設備電路，例如：USART，SPI，I 2 C，比較器，ADC，是史上最等，通過軟件來打開和關閉，僅向那些需要將功耗降至底的外圍設備供電。

MCU可以運行，瞌睡，空閑，睡眠和深度睡眠。除了簡單地改變系統時鐘速度之外，這些模式最終為設計人員提供了更多管理功耗的選擇。這些模式還控制某些外圍設備。

⑥瞌睡模式用于以下情況：到CPU的系統時鐘變慢（預分頻），因此CPU的運行速度低于外圍設備。當對CPU資源的需求很少，但外圍設備需要繼續全速運行時，此模式特別有用。

⑦空閑模式將停止執行CPU指令，但是系統時鐘將繼續運行外圍模塊。要退出空閑模式，任何使能的中斷，設備復位或看門狗定時器超時都將開始執行CPU指令。

⑧睡眠模式將關閉系統時鐘，這將停止CPU或外設的時鐘，但保留RAM?？梢栽谒吣Ｊ较聠⒂媚承Ｓ玫臅r鐘和計時器，例如實時時鐘和日歷以及看門狗計時器。這些功能使MCU能夠在睡眠模式下計時功能，為應用設計中的節能方案增加了極大的靈活性和多樣性。

⑨深度睡眠可提供極低水平的功耗。從MCU的重要區域斷開電源。在深度睡眠模式下，可以達到數十納安的睡眠電流。

jiu⑩根據MCU的功能集，某些外設專用于深度睡眠模式，例如深度睡眠掉電復位和專用的深度睡眠看門狗定時器。這些外設與標準的掉電復位和看門狗定時器無關，因此它們可以在深度睡眠時監視電壓和超時事件。請注意，從深度睡眠中喚醒要比從傳統睡眠模式中喚醒要花費更長的時間，因為通常不保留RAM，必須將其還原。

?睡眠之前，請注意I / O引腳的狀態。在睡眠和深度睡眠期間，I / O引腳將保持其先前狀態。另外，請注意不要使數字輸入引腳懸空。輸入電壓電平可以在邏輯0和1之間漂移，并且可以輸入一個中點電壓，在該電壓下數字輸入緩沖器將在線性區域內偏置。這將導致大量的電流消耗。很好實踐是將這些引腳配置為模擬輸入，因為它們具有高阻抗并且僅消耗很少的電流。這應該在進入睡眠模式之前完成。

?數字輸出通常不需要任何其他配置。消耗的電流將是引腳的輸入或輸出泄漏電流。必須注意由數字輸出引腳供電的東西。很好狀態應在進入睡眠模式之前確定。如果外部電路由MCU供電，請注意不要通過提供邏輯1的數字輸出引腳來為電路供電。在為電路供電之前，必須將數字輸出設置為邏輯0。

?一般將未使用的I / O引腳配置為驅動高電平或低電平的數字輸出引腳。或者，可以將它們配置為帶有外部上拉或下拉電阻的輸入。但是，該引腳將吸收其輸入泄漏電流。使用這些方法給電路加電并從深度睡眠中喚醒具有其含義。電路斷電一段時間后，所有電荷都會耗盡。給電路通電會在電路帶電時產生一個短電流突發。為了減輕電涌，應在開關的電源側放置存儲電容器。但是，根據我們對電容器泄漏的了解，我們必須謹慎選擇電容器類型。電解電容漏電流大于鉭電容。陶瓷提供了良好的性能折衷，同時提供了低R ESR和低泄漏。

總結

上述PCB設計思路看起來非常簡單，但是PCB設計人員需要進入一種思維模式，減少任何電流損耗。