以瓦(通常是毫瓦，mW)為單位的功耗是低功率應(yīng)用的正確術(shù)語(yǔ)，但通常會(huì)使用以安培(通常是毫安，mA)為單位測(cè)量的電流消耗。由于功率就是工作電壓乘以電流，這對(duì)于固定運(yùn)行電壓來(lái)說(shuō)無(wú)所謂，但當(dāng)使用電池放電時(shí)，電壓會(huì)隨著時(shí)間和負(fù)載條件的變化而變化時(shí)，就變得更加難以估計(jì)。

功耗通常不是最重要的

通常以焦耳(通常為微焦耳，μJ)為單位測(cè)量的能耗決定了完成特定任務(wù)實(shí)際從電池中消耗了多少電量。能耗是功耗與執(zhí)行操作所需時(shí)間的積分。同樣，對(duì)于靜態(tài)信號(hào)，能耗是功耗和時(shí)間的簡(jiǎn)單相乘，但對(duì)于變化的信號(hào)，將需要更復(fù)雜的計(jì)算。

功耗最有意義之處是在使用電流受限的電源時(shí)，如鋰離子紐扣電池。這種電池在小型傳感器設(shè)備和智能設(shè)備中備受歡迎，但只能提供大約幾個(gè)毫安電流峰值而不會(huì)損壞。如果您拉取更高的峰值電流，可能會(huì)永久性地降低電池的容量，也可能會(huì)影響輸出電壓。對(duì)于有足夠電流支持峰值電流的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，峰值功耗將不是問(wèn)題。

細(xì)節(jié)決定成敗

產(chǎn)品數(shù)據(jù)表通常給出MCU(微控制器)不同組件和運(yùn)行條件下的功耗。這些數(shù)字很容易測(cè)量，并且已經(jīng)以這種方式呈現(xiàn)了幾十年。但直到最近，我們才開(kāi)始看到設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)。

部分問(wèn)題在于，測(cè)量靜態(tài)電流或峰值電流很容易實(shí)現(xiàn)。所有標(biāo)準(zhǔn)硬件都支持這一點(diǎn)，在早期它提供了更大的價(jià)值。同樣容易理解的是，要運(yùn)行CPU、串行總線或其他硬件模塊(如無(wú)線電)，您又額外需要一定毫安的電流。

您無(wú)需穿越到很久以前，就能找到這樣設(shè)計(jì)的設(shè)備，這種信息可以讓您對(duì)給定場(chǎng)景的能耗進(jìn)行合理的估計(jì)。您可以估算CPU在給定時(shí)間內(nèi)保持喚醒狀態(tài)的能耗，或者通過(guò)UART或使用無(wú)線電發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的能耗。

使用現(xiàn)代MCU，可以同時(shí)啟用的功能組合已經(jīng)增長(zhǎng)到驚人的數(shù)量，因此不可能在一個(gè)數(shù)據(jù)表中涵蓋所有這些組合。這使得能夠輕松地測(cè)量這些場(chǎng)景變得越來(lái)越重要。

使用數(shù)字門降低功耗

隨著每年推出的器件尺寸不斷縮小，數(shù)字門變得越來(lái)越便宜，這推動(dòng)了更復(fù)雜的節(jié)能設(shè)計(jì)。例如，過(guò)去大多數(shù)MCU的設(shè)計(jì)方式是將時(shí)鐘分布到整個(gè)設(shè)備，現(xiàn)在已經(jīng)被更精細(xì)的門控時(shí)鐘解決方案所取代。

這極大地降低了功耗，也使得以一種可能估算能耗的方式記錄電力消耗變得越來(lái)越困難。隨著設(shè)備的功耗變得越來(lái)越動(dòng)態(tài)，它將根據(jù)特定時(shí)間的活動(dòng)內(nèi)容而變化。采用更激進(jìn)的能效設(shè)計(jì)的設(shè)備將看到更動(dòng)態(tài)的功率消耗。

來(lái)自真實(shí)世界的示例

在Nordic Semiconductor nRF52和nRF53系列芯片中，調(diào)節(jié)器、振蕩器和數(shù)字邏輯等功能模塊可以根據(jù)需要在后臺(tái)啟動(dòng)和停止。功耗瞬息萬(wàn)變，因此沒(méi)有“靜態(tài)”數(shù)據(jù)可以測(cè)量。

當(dāng)使用TWI主設(shè)備時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的功耗可能由幾個(gè)μA上升到幾百μA。如果主機(jī)必須等待外部設(shè)備的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，那么功耗將上升到不同水平，并且部分TWI設(shè)備將在空閑時(shí)關(guān)閉。

預(yù)測(cè)能耗的復(fù)雜性增加了，但與此同時(shí)，能效得到了很大的提升。

估算這些系統(tǒng)能耗的一種方法是制作更小型的測(cè)試軟件，然后使用合適的工具對(duì)其進(jìn)行功率分析，以建立與您的需求相匹配的模型。Nordic Semiconductor Online Power Profiler采用從實(shí)際測(cè)量中收集的數(shù)據(jù)來(lái)運(yùn)行無(wú)線電，然后從中提取數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)能耗進(jìn)行估計(jì)。

審核編輯 黃宇