基于功耗敏感性的降低嵌入式电路功耗方法

张敬明曾庆钊

（天津凯发电气股份有限公司300384）

摘要：功耗敏感性的降低嵌入式电路功耗成为研究的热点。如果把所有功能都设计好了才去考虑低功耗的问题，一个不小心，就可能要更改程序的架构，即便如此也不一定能把功耗给彻底降下去。

关键词：集成电路设计；嵌入式微控制器；超低功耗；选型技巧

1前言

循序渐进式的功耗优化已经不再是超低功耗MCU的游戏规则，而是“突飞猛进”模式，与功耗相关的很多指标都不断刷新记录。我们在选择合适的超低功耗MCU时要掌握必要的技巧，在应用时还需要一些设计方向与思路才能够更好的应用。

2超低功耗MCU的选择方法

（1）在低功耗设计中，平均电流消耗往往决定电池寿命。例如，如果某个应用采用额定电流为400mAh的Eveready高电量9V1222型电池的话，要提供一年的电池寿命其平均电流消耗必须低于400mAh/8760h，即45.7μA。

（2）在使MCU能够达到电流预算的所有功能中，断电模式最重要。低功耗MCU具有可提供不同级别功能的断电模式。例如，TI超低功耗MCUMSP430系列产品可以提供5种断电模式。低功耗模式0（LPM0）会关闭CPU，但是保持其他功能正常运转。LPM1与LPM2模式在禁用功能列表中增加了各种时钟功能。LPM3是最常用的低功耗模式，只保持低频率时钟振荡器以及采用该时钟的外设运行。LPM3通常称为实时时钟模式，因为它允许定时器采用低功耗32768Hz时钟源运行，电流消耗低于1μA，同时还可定期激活系统。最后，LPM4完全关闭器件上的包括RAM存储在内的所有功能，电流消耗仅100nA。

（3）时钟系统是MCU功耗的关键。应用可以每秒多次或几百次进入与退出各种低功耗模式。进入或退出低功耗模式以及快速处理数据的功能极为重要，因为CPU会在等待时钟稳定下来期间浪费电流。

3超低功耗MCU如何降低功耗

低功耗是MCU的一项非常重要的指标，比如某些可穿戴的设备，其携带的电量有限，如果整个电路消耗的电量特别大的话，就会经常出现电量不足的情况，影响用户体验。平时我们在做产品的时候，基本的功能实现很简单，但只要涉及低功耗的问题就比较棘手了，比如某些可以低到微安级的MCU，而自己设计的低功耗怎么测都是毫安级的，电流竟然能够高出标准几百到上千倍，遇到这种情况千万不要怕，只要认真你就赢了。接着，仔细分析一下这其中的原因。

（1）掐断外设命脉，关闭外设时钟。先说最直观的，也是工程师都比较注意的方面，就是关闭MCU的外设时钟，对于现在市面上出现的大多数的MCU，其外设模块都对应着一个时钟开关。只需要打开这个外设的时钟，就可以正常的使用这个外设了，当然，此外设也就会产生相应的功耗；反之，如果想要让这个外设不产生功耗，只需关闭它的时钟即可。

（2）让工作节奏慢下来，时钟不要倍频。除了外设模块功率消耗之外，还有一个功耗大户需要注意一下，这就是PLL和FLL模块。PLL和FLL主要是用来对原始的时钟信号进行倍频操作，从而提高系统的整体时钟，相应地，其功耗也会被提上去。所以，在进入低功耗之前，需要切换时种模式，旁路掉PLL和FLL模块，从而尽可能的降低MCU的功耗，等到MCU唤醒之后再把时钟切换回去。

（3）围堵涓涓细流，注意I/O口的电平状态。如果认为只要关闭外设时钟就能够保证外设不再耗电，那么你就太天真了。如果IO口没有做好处理的话，它就会在暗地里偷走功耗，而你却浑然不知。具体原因是这样的，一般的IO的内部或者外部都会有上下拉电阻，举个例子，假如某个IO口有个10KΩ的上拉电阻，把引脚拉到3.3V，然而当MCU进入低功耗模式的时候，此IO口被设置成输出低电平，根据欧姆定律，此引脚就会消耗3.3V/10K=0.33mA的电流，假如有四、五个这样的IO口，那么几个mA就贴进去了，太可惜了。所以在进入低功耗之前，请逐个检查IO口的状态。如果此IO口带下拉，请设置为低电平输出或者高阻态输入。总之一句话，不要把上好的电流浪费在产生热量的功能上。

（4）睦邻友好的合作，要注意I/O与外设IC的统筹。IO口的上下拉电阻消耗电流这一因素相对比较明显，下边咱来说一个不明显的因素：IO口与外部IC相连时的电流消耗。假如某个IO口自带上拉，而此与IO相连的IC引脚偏偏是自带下拉的，那么无论这个引脚处于什么样的电平输出，都不可避免的产生一定的电流消耗。所以凡是遇见这一类的情况，首先需要阅读外设IC的手册，确定好此引脚的的状态，做到心中有数；然后在控制MCU睡眠之前，设置好MCU的IO口的上下拉模式及输入输出状态，要保证一丝儿电流都不要被它消耗掉。

（5）断开调试器连接，不要被假象所迷惑。还有一类比较奇特，检测出来的电流消耗很大，可实际结果是自己杞人忧天，原因是因为在测试功耗的时候MCU还连接着调试器。这时候大部分电流就会被调试器给掳走，平白无故的让工程师产生极度郁闷的心情。所以在测低功耗的时候，一定不要连接调试器，更不能边调试边测电流。

4结束语

MCU的低功耗设计是一个细致活，要养成良好的习惯，做到每添加一个功能都要重新验证一下低功耗是否符合要求，这样就可以随时随地干掉消耗功率的因素。如果把所有功能都设计好了才去考虑低功耗的问题，一个不小心，就可能要更改程序的架构，即便如此也不一定能把功耗给彻底降下去。

参考文献：

[1]陈凤武.嵌入式射频系统降低功耗的控制[J].日用电器，2015（8）.

[2]何晓宇.嵌入式存储模块低功耗设计技术[J].微处理机，2016，37（4）：23-26.

[3]刘春辉.低功耗自动气象站数据采集器的研究与设计[D].南京信息工程大学，2015.