引言

便攜式產(chǎn)品的低功耗設(shè)計(jì)就像我們父輩過日子一樣，每一筆錢都得精打細(xì)算，確保每一筆錢都要用在刀刃上。同樣地，低功耗產(chǎn)品每節(jié)約的一個(gè)mAh電量都會(huì)為產(chǎn)品的續(xù)航助力，增強(qiáng)產(chǎn)品的競爭力。便攜式產(chǎn)品的低功耗設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，這是一個(gè)細(xì)致活，需要從系統(tǒng)架構(gòu)、硬件選型、軟件優(yōu)化、電源管理等多個(gè)維度綜合考慮，同時(shí)結(jié)合使用場景和用戶習(xí)慣進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)。說白了就是這里省一點(diǎn)，那里扣一點(diǎn)，越多越好。今天我們就來簡單的聊一聊，希望能給大家一些啟發(fā)。

一、系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化

1. 處理器/主控選擇

傳統(tǒng)的低功耗處理器有比如MSP430FR系列，STM32L系列。比如墨水屏上面就比較常用MSP430;

MSP430FR系列（FRAM存儲(chǔ)器）

運(yùn)行模式：100μA/MHz

待機(jī)模式（LPM3）：0.4μA

STM32L5系列（Cortex-M33）

運(yùn)行模式：40μA/MHz

停止模式（RTC保持）：1.2μA

STM32U5系列（Cortex-M33）

停止模式（全RAM保持）：350nA

動(dòng)態(tài)功耗：19μA/MHz

便攜式產(chǎn)品的無線傳輸功能也是比較常見的，比如藍(lán)牙，wifi,zigbe等等；

CC2652R（無線MCU）

支持藍(lán)牙5.2/Zigbee/Thread

接收模式：5.4mA，深度睡眠：0.9μA

nRF54系列（Cortex-M33）

動(dòng)態(tài)功耗：25μA/MHz

深度睡眠：0.6μA（RTC保持）

支持藍(lán)牙5.4/Thread/Zigbee

2. 工作模式劃分

根據(jù)產(chǎn)品的需求，定義不同工作模式（運(yùn)行、待機(jī)、休眠、關(guān)機(jī)），在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，通過狀態(tài)機(jī)管理模式切換模式，確保在當(dāng)前狀況下，所耗費(fèi)的電量是最低的。

3. 電源域劃分 

將系統(tǒng)劃分為獨(dú)立供電的電源域，通過MOS管或負(fù)載開關(guān)控制電源通斷。 負(fù)載開關(guān)的話我之前用過DIO7299。可以通過負(fù)載開關(guān)控制，按照“按需供電”的策略。例如， 藍(lán)牙、GPS等模塊。

4. 動(dòng)態(tài)電壓與頻率調(diào)節(jié)（DVFS） 

根據(jù)負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)整CPU/GPU的工作電壓和頻率，降低動(dòng)態(tài)功耗。現(xiàn)在很多處理器內(nèi)部都集成了PMU功能。可以根據(jù)需求適時(shí)調(diào)整處理器的工作電壓。

二、硬件設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

1. 元器件選型

選擇低靜態(tài)電流（IQ）的電源芯片（如LDO、DC-DC）。  

使用低功耗傳感器（如MEMS加速度計(jì)）、低漏電流的模擬器件。  

避免使用高功耗接口（如并行總線），優(yōu)先選用SPI、I²C等低功耗串行接口。

總之就是器件選型上，都選擇功耗低一些的。

2. 電源管理電路 

優(yōu)化電源拓?fù)洌焊哳lDC-DC轉(zhuǎn)換器用于高負(fù)載場景，LDO用于低噪聲敏感電路。

增加儲(chǔ)能電容或超級(jí)電容，應(yīng)對(duì)瞬時(shí)高電流需求，避免頻繁喚醒電源。

設(shè)計(jì)低功耗復(fù)位電路和看門狗，避免異常狀態(tài)下的功耗激增。

3. 傳感器與外圍電路優(yōu)化  

為傳感器配置中斷喚醒功能，減少輪詢操作。  

優(yōu)化信號(hào)鏈：縮短高阻抗模擬電路走線，降低漏電流。  

對(duì)LED、屏幕等大電流器件進(jìn)行PWM調(diào)光或分時(shí)復(fù)用。

4. PCB布局與信號(hào)完整性 

減少高頻信號(hào)線長度，降低EMI和串?dāng)_導(dǎo)致的功耗。  

優(yōu)化電源走線，降低IR Drop（如采用寬銅箔、多點(diǎn)接地）。  

對(duì)未使用的GPIO引腳配置為固定電平，避免浮空狀態(tài)漏電。

5. 電池與充電管理 

選擇高能量密度電池（如鋰聚合物），并匹配適合的充放電芯片。  

設(shè)計(jì)溫度保護(hù)、過充/過放保護(hù)電路，延長電池壽命。  

支持低功耗充電模式（如涓流充電）。

三、軟件優(yōu)化策略

1. 算法與任務(wù)調(diào)度

簡化算法復(fù)雜度（如用查表代替實(shí)時(shí)計(jì)算）。  

采用事件驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，減少輪詢和阻塞等待。  

合并任務(wù)執(zhí)行批次（如集中處理傳感器數(shù)據(jù)）。

2. 通信協(xié)議優(yōu)化  

縮短無線模塊（如BLE、Wi-Fi）的激活時(shí)間，使用快速連接技術(shù)。  

優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議（如增加數(shù)據(jù)壓縮、減少ACK次數(shù)）。  

在無通信需求時(shí)徹底關(guān)閉射頻模塊電源。

3. 低功耗模式利用 

在空閑時(shí)快速進(jìn)入深度睡眠（如ARM的WFI/WFE指令）。  

利用RTC或外部中斷喚醒，避免定時(shí)器頻繁中斷。  

關(guān)閉未使用的外設(shè)時(shí)鐘（如通過寄存器配置關(guān)閉ADC時(shí)鐘）。

4. 數(shù)據(jù)緩沖與緩存  

使用FIFO或DMA傳輸數(shù)據(jù)，減少CPU介入時(shí)間。  

在本地緩存數(shù)據(jù)，批量上傳以減少無線模塊激活次數(shù)。

5. 固件與驅(qū)動(dòng)優(yōu)化 

避免固件中的忙等待（Busy Loop），改用中斷或事件觸發(fā)。  

優(yōu)化驅(qū)動(dòng)層代碼，減少冗余操作（如多次初始化外設(shè)）。  

支持固件遠(yuǎn)程升級(jí)，持續(xù)優(yōu)化功耗算法。

四、系統(tǒng)監(jiān)控與調(diào)試

1. 實(shí)時(shí)功耗監(jiān)控 

使用高精度電流表（如Nordic Power Profiler）分析各模塊功耗。記錄典型場景下的功耗曲線（如待機(jī)、運(yùn)行、通信）。

2. 功耗分析工具  

利用仿真工具（如SPICE）分析電源路徑效率。  

使用靜態(tài)代碼分析工具定位軟件中的高功耗代碼段。

3. 測試與驗(yàn)證

覆蓋極端場景測試（如低溫、低電量）。  

驗(yàn)證休眠模式下的漏電流（如目標(biāo)<10μA）。  

長期老化測試，確保電池衰減不影響低功耗設(shè)計(jì)。比如根據(jù)產(chǎn)品說明書設(shè)定的產(chǎn)品使用年限，每天的使用頻率及時(shí)長、產(chǎn)品的功耗，估算出使用年限內(nèi)的充放電次數(shù)后，電池電量的衰減程度，還能否滿足產(chǎn)品承諾的續(xù)航年限。

五、用戶場景與習(xí)慣適配

1. 自適應(yīng)功耗策略  

根據(jù)設(shè)備的功能需求以及用戶使用習(xí)慣（如夜間少操作）動(dòng)態(tài)調(diào)整檢測頻率。提供“節(jié)能模式”選項(xiàng)，允許用戶手動(dòng)調(diào)整設(shè)備的測量參數(shù)，用來降低功耗，達(dá)到延長續(xù)航時(shí)間的目的。

2. 環(huán)境感知  

通過光感、加速度計(jì)等傳感器判斷設(shè)備狀態(tài)（如靜止、運(yùn)輸中），調(diào)整功耗策略，比如根據(jù)環(huán)境光線的明暗，調(diào)整屏幕亮度。比如更具設(shè)備的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，判斷傳感器采集的頻率等。

六、供應(yīng)鏈與成本平衡

在低功耗設(shè)計(jì)與BOM成本之間權(quán)衡（如選擇性價(jià)比高的PMIC）。  

考慮元器件供貨穩(wěn)定性，避免因缺貨被迫改用高功耗替代方案。

通過以上系統(tǒng)級(jí)全面細(xì)致的指出了低功耗設(shè)計(jì)需要考慮的各個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)，相信大家對(duì)于低功耗的設(shè)計(jì)應(yīng)該有了一個(gè)全面的了解了。希望能夠幫助到大家。如有問題，歡迎留言討論，謝謝！