低功耗设计

admin2024-05-15  0

设计电路谁都会,但是设计低功耗电路,降低芯片功耗却是难题 - 哔哩哔哩 (bilibili.com)

一个产品的低功耗设计,并不仅仅只是采用一个低功耗的MCU就能解决的问题。产品的低功耗,不久取决于MCU的低功耗,也取决于低功耗的外围硬件电路。

总功耗可以分为两大类:动态功耗和静态功耗。动态功耗是单片机在运行和执行编程的任务时消耗的功率,主要是开关CMOS电路时造成的功率损失。静态功耗是只对器件供电,但不运行代码时消耗的功率,主要是模拟电路的偏置电流、低功耗计时振荡器和泄漏电流。

DC-DC静态功耗要足够小,因为在低功耗设计中,所有的器件本身也是要耗电的,尤其是DC-DC器件,耗电更多,所以尽可能的选用超低功耗LDO,当然了还要考虑LDO的最大输出电流,我使用的一款新品是上海贝岭的BL8064系列,静态功耗手册上说只有1uA,实测确实也不错。

在常见的开发板中,广泛采用了78XX、LM1117等系列三端稳压器,但这些稳压芯片却并不适合进行低功耗产品设计。低功耗设计若要进行稳压电路设计,必须采用低功耗的LDO,如TI的TPS797系列,自身功耗仅1.2uA。

对于采用1.5V电池供电的产品,就要采用低功耗的升压电路。如TI的TPS6030X采用电荷泵结构,增加几个外接电容能够在0.9~1.8V输入电压范围内保证3V或3.3V稳压输出,自身功耗只有65uA。并且带有开关脚EN,EN接低电平时输出关闭,功耗下降到1uA以下。

对于在电池不同的电压时,分别要进行升压或者降压的电路,可以使用低功耗的升降压稳压电路,如TI的TPS630,可以在1.8V~5.5V电压范围内,稳定地输出3.3V电压。当然,这种电路比低功耗LDO的功耗要略高,它静态功耗为30~50uA。

另外,当产品不需要一直待机时,可以采用受程序控制进行断电的电源开关电路。让产品在不使用时自动断电,从而功耗更低。

采用带关断功能的器件。对于不需要一直工作的当外围器件,当不工作时,尽量关断该部分电源,以达到更低的功耗。对某些没有关断管脚的电路,可以采用MOS管、CMOS驱动器等电路实现电源开关,对局部的电路进行电源管理。

有开关控制需求,比如ADC电压 采集、信号通断等,那么优先考虑 CPU低功耗时,IO口引脚默认为低电平。这样的话,本身GPIO为输出配置,输出低电平肯定要比输出高电平要保险一些(功耗),比如采用三极管实现通断,那么最好使用NPN的管子实现,因为NPN的管子,控制引脚为低电平,三极管不导通,这部分的电路相当于全部断掉,功耗比较小。

对于一些的传感器,比如温度传感器芯片,如果这个传感器是超低功耗还好,但是多数情况下,传感器的功耗都是有的,即便是不测量的情况下,所以最保险的方式就是控制传感器的电源,这里面要特别注意,要控制整个传感器电源的源头,包括信号线上拉的电源,所以,还是考虑使用P沟道的mos管,mos管的S极接电源,D极给传感器电源和信号线上拉电阻供电,这样我们就能够通过IO口控制G极,实现整个传感器的完全断电了。

对于各种传感器,大量信号调理电路被采用。而非常多的经典的信号调理电路却并没有考虑功耗问题。对于低功耗产品设计,应该采用低功耗的信号调理电路。比如采用低功耗运放,TLV2241等每运放功耗仅1uA。低功耗的同向放大器或反向放大器,低功耗的I/V变换电路,低功耗的仪表放大器等等。

不用的IO口一定设置 模拟输入&& 无上拉,这个也蛮容易理解的,我们可以认为CPU的内部,模拟输入要经过运放,而运放的输入电阻是无穷大的,相当于输入端断开,加上没有 上下拉电阻的影响,即便是IO口状态不确定,基本上也是不会有电流的。

根据自己项目情况设置将MCU时钟设置的低一些,时钟、内核电压。

如何测量一块板子的功耗:类似合宙CC表之类的东西:

低功耗设计,第1张

STM32的低功耗:

低功耗设计,第2张

低功耗设计,第3张

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有时候查看芯片引脚的功能可以不用查数据手册,利用文心一言可以很快得出答案:

低功耗设计,第4张

低功耗设计,第5张

第7章-集成运算放大器-7.12电压比较器 - 知乎 (zhihu.com)

LM324做电压比较器:

有两个输入端,同相输入端(“+”端)和反相输入端(“-”端)。当同相输入端的电压高于反相输入端时,输出电压为高电平;反之,当反相输入端的电压高于同相输入端时,输出电压为低电平

下面这张图片展示了LM324做电压比较器在实际电路中的应用:

低功耗设计,第6张

【开关电源】PFC电路的作用及其原理_pfc电路的作用是什么-CSDN博客

【新手不会选ADC芯片?看这几个参数就对了!】https://www.bilibili.com/video/BV1VN411k79M?vd_source=3cc3c07b09206097d0d8b0aefdf07958

采样电阻一般都是1026的封装的,0805的很少见,0603几乎不会用。

低功耗设计,第7张

拆卸器件的时候注意先在器件引脚处涂焊油,再进行加热,这样便于器件快速拆掉。

【万用表怎么测电流?老电工也中招!】https://www.bilibili.com/video/BV1nY411777C?vd_source=3cc3c07b09206097d0d8b0aefdf07958

万用表测量不了电感,需要用LCR表:

(44 封私信 / 80 条消息) 如何用万用表测量电感? - 知乎 (zhihu.com)

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数字地和模拟地通过磁珠连接:

低功耗设计,第8张

四个框角的过孔所连接的为机壳地;高亮部分为模拟地,其他为数字地;

低功耗设计,第9张

模拟地GNDA和数字地GND通过磁珠连接:

低功耗设计,第10张

【“你割了吗?”数字地和模拟地到底要不要分割?】https://www.bilibili.com/video/BV1z84y1y7nD?vd_source=3cc3c07b09206097d0d8b0aefdf07958

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NXP会开源很多设计,多参考学习大佬设计进步更快:

SeekFree/逐飞科技RT1021开源库 - 码云 - 开源中国 (gitee.com)

i.MX RT1020评估套件 | NXP 半导体

低功耗设计,第11张

低功耗设计,第12张

Cadence17.4打开低版本.brd文件提示The design was last saved using version 15 and must be updated using DC Doct_.brd打开candence17.4-CSDN博客

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DCDC电源布局:

低功耗设计,第13张

(44 封私信 / 80 条消息) 为什么嵌入式硬件的存储模块中有了emmc还要上flash模块呢? - 知乎 (zhihu.com)

ROB  C电源树设计:

低功耗设计,第14张

ROM:

低功耗设计,第15张

内存这部分正点原子讲解的比较清晰易懂:

【【正点原子】手把手教你学STM32 HAL库开发全集【真人出镜】STM32入门教学视频教程 单片机 嵌入式】https://www.bilibili.com/video/BV1bv4y1R7dp?p=120&vd_source=3cc3c07b09206097d0d8b0aefdf07958

【STM32H7教程】第87章 STM32H7的SDMMC总线基础知识和HAL库API_sdmmc2 sdmmc1-CSDN博客

https://blog.csdn.net/Simon223/article/details/112845599https://blog.csdn.net/Simon223/article/details/112845599

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TI开关电源设计网站:

Power Designer (ti.com)

低功耗设计,第16张

低功耗设计,第17张

低功耗设计,第18张

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