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技術(shù)專題
電路設(shè)計超低功耗方法介紹
電路設(shè)計之超低功耗是穿戴設(shè)備持之以恒的追求，最初PCB設(shè)計師在uA級別努力，而現(xiàn)在nA級別。超低功耗PCB設(shè)計方法有幾點(diǎn)：
組件選擇
從元件選擇開始，尤其是電容，PCB設(shè)計人員應(yīng)盡量減少旁路電容的數(shù)量。因?yàn)槊總€電容在靜態(tài)狀態(tài)下也會消耗幾個nA的電流。
電路設(shè)計
①PCB設(shè)計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)字輸出引腳通常可提供和吸收20至25 mA的電流。參考MCU數(shù)據(jù)手冊的“電氣特性”，以獲取單個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通常消耗6 μA的電流。通過在數(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，請閱讀數(shù)據(jù)表以了解是否有開啟時間，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
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的時候就要做出考慮。
①為電路供電時，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)時鐘可以選擇，請選擇低系統(tǒng)時鐘頻率。
③降低開關(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，通過軟件來打開和關(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。除了簡單地改變系統(tǒng)時鐘速度之外，這些模式最終為設(shè)計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，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)位或看門狗定時器超時都將開始執(zhí)行CPU指令。
⑧睡眠模式將關(guān)閉系統(tǒng)時鐘，這將停止CPU或外設(shè)的時鐘，但保留RAM。可以在睡眠模式下啟用某些專用的時鐘和計時器，例如實(shí)時時鐘和日歷以及看門狗計時器。這些功能使MCU能夠在睡眠模式下計時功能，為應(yīng)用設(shè)計中的節(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)專用于深度睡眠模式，例如深度睡眠掉電復(fù)位和專用的深度睡眠看門狗定時器。這些外設(shè)與標(biāo)準(zhǔn)的掉電復(fù)位和看門狗定時器無關(guān)，因此它們可以在深度睡眠時監(jiān)視電壓和超時事件。請注意，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)更長的時間，因?yàn)橥ǔ２槐Ａ?span lang="EN-US">RAM，必須將其還原。
?睡眠之前，請注意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，并且可以輸入一個中點(diǎn)電壓，在該電壓下數(shù)字輸入緩沖器將在線性區(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，請注意不要通過提供邏輯1的數(shù)字輸出引腳來為電路供電。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。電路斷電一段時間后，所有電荷都會耗盡。給電路通電會在電路帶電時產(chǎn)生一個短電流突發(fā)。為了減輕電涌，應(yīng)在開關(guān)的電源側(cè)放置存儲電容器。但是，根據(jù)我們對電容器泄漏的了解，我們必須謹(jǐn)慎選擇電容器類型。電解電容漏電流大于鉭電容。陶瓷提供了良好的性能折衷，同時提供了低R ESR和低泄漏。
總結(jié)
上述PCB設(shè)計思路看起來非常簡單，但是PCB設(shè)計人員需要進(jìn)入一種思維模式，減少任何電流損耗。