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技術(shù)專(zhuān)題
電路設(shè)計(jì)超低功耗方法介紹
電路設(shè)計(jì)之超低功耗是穿戴設(shè)備持之以恒的追求，最初PCB設(shè)計(jì)師在uA級(jí)別努力，而現(xiàn)在nA級(jí)別。超低功耗PCB設(shè)計(jì)方法有幾點(diǎn)：
組件選擇
從元件選擇開(kāi)始，尤其是電容，PCB設(shè)計(jì)人員應(yīng)盡量減少旁路電容的數(shù)量。因?yàn)槊總€(gè)電容在靜態(tài)狀態(tài)下也會(huì)消耗幾個(gè)nA的電流。
電路設(shè)計(jì)
①PCB設(shè)計(jì)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(fù)載的電壓以極大程度地減少電流消耗可進(jìn)一步擴(kuò)展到包括外部外圍設(shè)備和負(fù)載。
③單片機(jī)數(shù)字輸出引腳通?？商峁┖臀?span lang="EN-US">20至25 mA的電流。參考MCU數(shù)據(jù)手冊(cè)的“電氣特性”，以獲取單個(gè)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(shí)通常消耗6 μA的電流。通過(guò)在數(shù)字輸出引腳上接地，我們可以有效地關(guān)閉電路，節(jié)省6 μA。
⑤給設(shè)備加電時(shí)，請(qǐng)閱讀數(shù)據(jù)表以了解是否有開(kāi)啟時(shí)間，然后再進(jìn)行讀數(shù)。
⑥如果負(fù)載大于MCU數(shù)字引腳的拉電流或灌電流，則可以使用FET開(kāi)關(guān)
⑦選用P溝道MOSFET有非常低的漏源電阻（RDS）
MCU和低功耗設(shè)計(jì)
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(shí)候就要做出考慮。
①為電路供電時(shí)，將系統(tǒng)電壓設(shè)置得盡可能低，以降低功耗。例如，以1 MIPS在3.3 V下運(yùn)行的MCU可汲取700 μA。將電壓降低到1.8 V，同時(shí)保持相同的速度，電流消耗為370 μA，幾乎節(jié)省了50％。
②如果系統(tǒng)時(shí)鐘可以選擇，請(qǐng)選擇低系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。
③降低開(kāi)關(guān)速度，數(shù)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(guò)軟件關(guān)閉外部振蕩器電路，切換至內(nèi)部振蕩器。MCU運(yùn)行變慢，節(jié)省功率。
⑤關(guān)閉不需要的外圍設(shè)備電路，例如：USART，SPI，I 2 C，比較器，ADC，是史上最等，通過(guò)軟件來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉，僅向那些需要將功耗降至底的外圍設(shè)備供電。
MCU可以運(yùn)行，瞌睡，空閑，睡眠和深度睡眠。除了簡(jiǎn)單地改變系統(tǒng)時(shí)鐘速度之外，這些模式最終為設(shè)計(jì)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(shè)備。
⑥瞌睡模式用于以下情況：到CPU的系統(tǒng)時(shí)鐘變慢（預(yù)分頻），因此CPU的運(yùn)行速度低于外圍設(shè)備。當(dāng)對(duì)CPU資源的需求很少，但外圍設(shè)備需要繼續(xù)全速運(yùn)行時(shí)，此模式特別有用。
⑦空閑模式將停止執(zhí)行CPU指令，但是系統(tǒng)時(shí)鐘將繼續(xù)運(yùn)行外圍模塊。要退出空閑模式，任何使能的中斷，設(shè)備復(fù)位或看門(mén)狗定時(shí)器超時(shí)都將開(kāi)始執(zhí)行CPU指令。
⑧睡眠模式將關(guān)閉系統(tǒng)時(shí)鐘，這將停止CPU或外設(shè)的時(shí)鐘，但保留RAM?？梢栽谒吣Ｊ较聠⒂媚承?zhuān)用的時(shí)鐘和計(jì)時(shí)器，例如實(shí)時(shí)時(shí)鐘和日歷以及看門(mén)狗計(jì)時(shí)器。這些功能使MCU能夠在睡眠模式下計(jì)時(shí)功能，為應(yīng)用設(shè)計(jì)中的節(jié)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(qū)域斷開(kāi)電源。在深度睡眠模式下，可以達(dá)到數(shù)十納安的睡眠電流。
jiu⑩根據(jù)MCU的功能集，某些外設(shè)專(zhuān)用于深度睡眠模式，例如深度睡眠掉電復(fù)位和專(zhuān)用的深度睡眠看門(mén)狗定時(shí)器。這些外設(shè)與標(biāo)準(zhǔn)的掉電復(fù)位和看門(mén)狗定時(shí)器無(wú)關(guān)，因此它們可以在深度睡眠時(shí)監(jiān)視電壓和超時(shí)事件。請(qǐng)注意，從深度睡眠中喚醒要比從傳統(tǒng)睡眠模式中喚醒要花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間，因?yàn)橥ǔ２槐Ａ?span lang="EN-US">RAM，必須將其還原。
?睡眠之前，請(qǐng)注意I / O引腳的狀態(tài)。在睡眠和深度睡眠期間，I / O引腳將保持其先前狀態(tài)。另外，請(qǐng)注意不要使數(shù)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(gè)中點(diǎn)電壓，在該電壓下數(shù)字輸入緩沖器將在線(xiàn)性區(qū)域內(nèi)偏置。這將導(dǎo)致大量的電流消耗。很好實(shí)踐是將這些引腳配置為模擬輸入，因?yàn)樗鼈兙哂懈咦杩共⑶覂H消耗很少的電流。這應(yīng)該在進(jìn)入睡眠模式之前完成。
?數(shù)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(shù)字輸出引腳供電的東西。很好狀態(tài)應(yīng)在進(jìn)入睡眠模式之前確定。如果外部電路由MCU供電，請(qǐng)注意不要通過(guò)提供邏輯1的數(shù)字輸出引腳來(lái)為電路供電。在為電路供電之前，必須將數(shù)字輸出設(shè)置為邏輯0。
?一般將未使用的I / O引腳配置為驅(qū)動(dòng)高電平或低電平的數(shù)字輸出引腳?；蛘?，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(shí)間后，所有電荷都會(huì)耗盡。給電路通電會(huì)在電路帶電時(shí)產(chǎn)生一個(gè)短電流突發(fā)。為了減輕電涌，應(yīng)在開(kāi)關(guān)的電源側(cè)放置存儲(chǔ)電容器。但是，根據(jù)我們對(duì)電容器泄漏的了解，我們必須謹(jǐn)慎選擇電容器類(lèi)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(shí)提供了低R ESR和低泄漏。
總結(jié)
上述PCB設(shè)計(jì)思路看起來(lái)非常簡(jiǎn)單，但是PCB設(shè)計(jì)人員需要進(jìn)入一種思維模式，減少任何電流損耗。