物联网时代产品设计如何实现低功耗

　　随着科学技术不断的发展，嵌入式系统应用领域越来越广泛。在产品性能体验上，更多的厂商越来越重视低功耗设计，而电路与系统的低功耗设计也一直都是电子技术人员设计时需要考虑的重要因素。特别是最近两年很火爆的穿戴产品，智能手表等都是锂电池供电，如果采用同样容量大小的锂电池进行测试，不难发现电子产品低功耗做的好的，工作时间越长性能越好。

　　那么如何考虑低功耗设计？从大体方向来看，目前的低功耗设计主要从芯片设计和系统设计两个方面考虑：

　　一是随着半导体工艺的飞速发展和芯片工作频率的提高，芯片的功耗迅速增加，而功耗增加又将导致芯片发热量的增大和可靠性的下降。因此，功耗已经成为深亚微米集成电路设计中的一个重要考虑因素。

　　二是在嵌入式系统设计主要应用于便携式和移动性较强的产品中，而这些产品不是一直都有充足的电源供应，往往是靠电池来供电，所以设计人员从每一个细节来考虑降低功率消耗，从而尽可能地延长电池使用时间。

　　事实上，从全局来考虑低功耗设计已经成为了一个越来越迫切的问题。因此，低功耗设计排在电子产品设计的重要地位。经专家认真分析总结，将低功耗设计的方法总结如下：

　　其一，要明白功耗分为工作时功耗和待机时功耗，工作时功耗分为全部功能开启的功耗和部分功能开启的功耗。对于一个电子产品，总功耗为该产品正常工作时的电压与电流的乘积，这就是低功耗设计的需要注意事项之一。

　　其二，是模块工作的选择控制，一般选择具有休眠功能的芯片。比如在设计一个系统中，如果某些外部模块在工作中是不经常使用的，可以使其进入休眠模式或者在硬件电路设计中采用数字开关来控制器工作与否，当需要使用模块时将其唤醒，这样我们可以在整个系统进入低功耗模式时，关闭一些不必要的器件，以起到省电的作用，延长了待机时间。

　　其三，选择具有省电模式的主控芯片。现在的主控芯片一般都具有省电模式，通过以往的经验可以知道，当主控芯片在省电模式条件下，其工作电流往往是正常工作电流的几分之一，这样可以大大增强消费类产品电池的使用时间。

　　其四，功耗的测试。功耗测试分为模块功耗和整机功耗，模块功耗需要测试休眠时功耗和工作时功耗。整机功耗分为最大负荷工作时功耗和基本功能时功耗和休眠时功耗。

　　为了使产品更具竞争力，工业界对芯片设计的要求已从单纯追求高性能、小面积转为对性能、面积、功耗的综合要求。而微处理器作为数字系统的核心部件，其低功耗设计对降低整个系统的功耗具有重要的意义。

　　关于FPGA低功耗设计，可从两方面着手：一是算法优化; 二是FPGA资源使用效率优化。

　　算法优化可分为两个层次说明：实现结构和实现方法。首先肯定需要设计一种最优化的算法实现结构，设计一种最优化的结构，使资源占用达到最少，当然功耗也能降到最低，但是还需要保证性能，是 FPGA设计在面积和速度上都能兼顾;另一个层面是具体的实现方法，设计中所有吸收功耗的信号当中，时钟是罪魁祸首。虽然时钟可能运行在 100 MHz，但从该时钟派生出的信号却通常运行在主时钟频率的较小分量。此外，时钟的扇出一般也比较高。这两个因素显示，为了降低功耗，应当认真研究时钟。

　　资源使用效率优化是介绍一些在使用FPGA内部的一些资源如BRAM，DSP48E1时，可以优化功耗的方法。FPGA动态功耗主要体现为存储器、内部逻辑、时钟、I/O消耗的功耗。其中存储器是功耗大户，如xilinx FPGA中的存储器单元Block RAM，因此在这边主要介绍对BRAM的一些功耗优化方法。

　　如何进行低功耗设计，大家肯定想到MSP430，MSP430的特长就是进行低功耗。使用这片芯片，能使得产品的大脑——微控制器的功耗更低。但是，进行这样的处理就能得到低功耗的产品或设计了吗？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。

　　一、低功耗系统的电源电路。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。

　　二、外部电路的电源管理。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。当然，如果能采用零功耗的外围电路就是更理想的了。

　　三、避免IO口漏电流。当外围电路没有电源时，IO口仍然可能会是潜在的电源输出。所以当外围电路断电后，IO状态应设置为输入状态或者输出低电平状态，避免漏电流。

　　四、低功耗的信号调理电路。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。

　　总的来说，低功耗设计是物联网时代发展需求，对产品性能的提升具有重要的意义。为此，电子发烧友网举办2015第二届物联网大会，将评估IoT各领域的商业机会，并关注IoT重要技术节点以及关键创新产品的发展现状，探讨完善的产品创新解决方案，同时将针对业界面临的诸多挑战举办专题研讨会，讨论物联网时代下各种解决方案以创造IoT长远发展。