การออกแบบระบบจ่ายไฟเป็นตัวตัดสินว่าผลิตภัณฑ์ของคุณจะใช้งานได้จริงหรือไม่ อายุการใช้งานแบตเตอรี่ ขีดจำกัดความร้อน สัญญาณรบกวนในรางจ่ายไฟ และต้นทุนการผลิต ล้วนขึ้นอยู่กับการตัดสินใจในระดับแผงวงจรเพียงไม่กี่อย่าง คุณมักจะสูญเสียพลังงานในจุดที่วิศวกรมองข้าม เช่น ตัวควบคุมแรงดันไฟรั่ว อุปกรณ์ต่อพ่วงที่ยังคงทำงานอยู่ หรือแหล่งกำเนิดสัญญาณปลุกที่ทำงานบ่อยเกินไป
วิธีแก้ปัญหานี้ครอบคลุมทั้งคุณสมบัติของซิลิคอน การจัดวางแผงวงจร และเฟิร์มแวร์ ไม่มีชิปตัวใดตัวหนึ่งที่จะแก้ปัญหานี้ได้ คุณต้องควบคุมไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) ในทุกๆ ทั้งสามชั้น
ไมโครคอนโทรลเลอร์พลังงานต่ำเป็นอุปกรณ์ที่กำหนดให้ใช้กระแสไฟต่ำทั้งในโหมดพักและโหมดทำงาน การจัดการพลังงานคือการควบคุม การปรับขนาด และการจัดลำดับการจ่ายไฟและสัญญาณนาฬิกาให้ตรงกับความต้องการใช้งานจริง
ประเด็นที่สำคัญ
วัดปริมาณการใช้พลังงานบนแผงวงจรของคุณเองก่อน หาชิ้นส่วนที่ใช้พลังงานมากที่สุดแล้วแก้ไขส่วนนั้นก่อนเป็นอันดับแรก
ใช้โหมดประหยัดพลังงานและปิดอุปกรณ์ต่อพ่วงที่ไม่จำเป็น ปล่อยให้ซีพียูอยู่ในโหมดประหยัดพลังงานให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อประหยัดพลังงาน
เลือกตัวควบคุมแรงดันที่เหมาะสมสำหรับแต่ละรางจ่ายไฟ ใช้ตัวแปลง DC-DC สำหรับแรงดันตกคร่อมสูง และใช้ LDO สำหรับชิ้นส่วนที่ไวต่อสัญญาณรบกวน
เลือกไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) โดยพิจารณาจากกระแสไฟฟ้าที่วัดได้และเวลาปลุกเครื่อง ตรวจสอบให้แน่ใจว่าคุณสมบัติของมันตรงกับรอบการทำงานที่คุณใช้งานจริง
ออกแบบแผงวงจรของคุณโดยคำนึงถึงการจัดวางที่ดีและการควบคุมความร้อนควรวางสายนำไฟฟ้าสำหรับคริสตัลให้สั้น และใช้แผ่นกราวด์ที่ไม่ขาดตอน
อะไรคือคุณสมบัติของไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้พลังงานต่ำ?
นิยามของไมโครคอนโทรลเลอร์พลังงานต่ำ
ไมโครคอนโทรลเลอร์พลังงานต่ำถูกออกแบบมาให้ใช้กระแสไฟน้อยมากในทุกสถานะ ไม่ใช่แค่เฉพาะตอนที่ซีพียูทำงานเท่านั้น แค่ป้ายกำกับอย่างเดียวไม่ได้บ่งบอกอะไรมากนัก คุณควรพิจารณาไมโครคอนโทรลเลอร์พลังงานต่ำจากสิ่งที่ยังคงทำงานอยู่ในแต่ละโหมด และสิ่งที่ต้องใช้ในการออกจากโหมดนั้น
โหมดการนอนหลับมีส่วนสำคัญในการกำหนดพฤติกรรมนั้น โดยทั่วไปแล้วลำดับการนอนหลับจะมีลักษณะดังนี้:
โหมดพักเครื่อง: ซีพียูและอุปกรณ์ต่อพ่วงส่วนใหญ่จะปิดการทำงาน แต่รีจิสเตอร์และหน่วยความจำจะยังคงอยู่ และการขัดจังหวะภายนอกหรือการรีเซ็ตจากระบบเฝ้าระวังจะปลุกอุปกรณ์ให้ตื่นขึ้น
สถานะไม่ได้ใช้งาน: นาฬิกาของ CPU หยุดทำงาน แต่ส่วนประกอบภายนอกยังคงทำงานอยู่ ดังนั้นชิ้นส่วนนั้นจึงยังคงตอบสนองต่อเหตุการณ์ต่างๆ
โหมดหลับลึก: วงจรภายในส่วนใหญ่จะปิดตัวลง เหลือเพียงวงจรเฝ้าระวังและระบบตรวจจับเหตุการณ์ภายนอกเท่านั้นที่ยังคงทำงานอยู่
ไมโครคอนโทรลเลอร์พลังงานต่ำบางรุ่นเพิ่มการตั้งค่าตัวควบคุมที่ผู้ใช้เลือกได้ในระหว่างโหมดพักเครื่อง การตั้งค่าพลังงานต่ำลงหมายถึงเวลาในการปลุกเครื่องที่นานขึ้น ฟังก์ชันปิดใช้งานโมดูลอุปกรณ์ต่อพ่วงช่วยให้คุณปิดบล็อกที่ไม่ได้ใช้งานเพื่อประหยัดพลังงานได้มากยิ่งขึ้น
ลักษณะสำคัญที่ต้องประเมิน
เปรียบเทียบไมโครคอนโทรลเลอร์พลังงานต่ำโดยวัดกระแสไฟฟ้า ไม่ใช่โดยชื่อโหมด อุปกรณ์บอกเวลาแบบสวมใส่ที่มี RTC ทำงานอยู่ อาจใช้กระแสไฟฟ้าประมาณ 0.3 µA และในบางกรณีขณะอยู่ในโหมดสแตนด์บายอาจใช้กระแสไฟฟ้าเพียง 0.1 µA โหมด SLEEP ในอุปกรณ์รักษาความปลอดภัยก็อาจใช้กระแสไฟฟ้า 0.1 µA หรือ 0.2 µA เมื่อ RTC ทำงานอยู่
เมตริก | มันบอกคุณอะไร |
|---|---|
พลังงานที่ใช้งานอยู่ | กระแสไฟฟ้าต่อเมกะเฮิร์ตซ์ขณะที่ซีพียูกำลังประมวลผล |
สแตนด์บายปัจจุบัน | มีการรั่วไหลขณะที่อุปกรณ์เกือบปิดสนิท |
เวลาตื่นนอน | การตั้งค่านาฬิกาและการหน่วงเวลาของตัวควบคุม |
ต้นทุนการรักษาลูกค้า | SRAM ยังคงทำงานต่อไปแม้ในขณะนอนหลับ |
พลังงานต่อรอบการปลุกมีความสำคัญพอๆ กับกระแสไฟขณะพัก การปรับค่าสัญญาณอนาล็อกอาจใช้เวลาหลายมิลลิวินาที การรั่วไหลของกระแสไฟเป็นตัวกำหนดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ และจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุกๆ 10°C ที่เพิ่มขึ้น ดังนั้นควรตรวจสอบการรั่วไหลของกระแสไฟทั้งหมดของระบบที่อุณหภูมิสูงสุดและต่ำสุด สำหรับการเปรียบเทียบที่เป็นธรรมระหว่างผู้ผลิตต่างๆ ให้ใช้ ULPMark-CP สำหรับพลังงานขณะพัก และ ULPMark-PP สำหรับผลกระทบต่ออุปกรณ์ต่อพ่วง เลือก MCU ที่ใช้พลังงานต่ำซึ่งแหล่งปลุกและเวลาแฝงเหมาะสมกับรอบการทำงานของคุณ
หลักการพื้นฐานการใช้พลังงาน
พลังงานแบบไดนามิกเทียบกับพลังงานแบบสแตติก
พลังงานไดนามิกคือพลังงานที่ใช้เมื่อสัญญาณเปลี่ยนสถานะ ขอบสัญญาณนาฬิกาแต่ละขอบจะชาร์จและคายประจุตัวเก็บประจุในเกตและสายไฟ พลังงานไดนามิกจะเพิ่มขึ้นตามค่าตัวเก็บประจุ แรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายยกกำลังสอง และความถี่ คุณสามารถควบคุมทั้งสามอย่างนี้ได้โดยการตั้งค่าอัตราสัญญาณนาฬิกา แรงดันไฟฟ้าของราง และส่วนของชิปที่ยังคงทำงานอยู่
พลังงานสถิตคือกระแสที่ไหลเมื่อไม่มีอะไรสลับสถานะ เกิดจากการรั่วไหลในทรานซิสเตอร์ทุกตัวบนชิป การใช้พลังงานส่วนนี้ไม่ขึ้นอยู่กับความเร็วสัญญาณนาฬิกา มันจะไหลตราบใดที่รางจ่ายไฟยังทำงานอยู่ ดังนั้นจึงเป็นกระแสไฟสแตนด์บายที่ต่ำที่สุดสำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ทุกตัว
การปรับขนาดความถี่ แรงดันไฟฟ้า และการรั่วไหล
ขนาดของการรั่วไหลขึ้นอยู่กับกระบวนการผลิตและอัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ กิจกรรมของสัญญาณไม่มีส่วนเกี่ยวข้อง มีหลายปัจจัยที่กำหนดปริมาณการรั่วไหล:
การรั่วไหลของกระแสไฟฟ้าที่ต่ำกว่าเกณฑ์ขึ้นอยู่กับแรงดันเกต-ซอร์สและแรงดันเกณฑ์ในลักษณะเลขชี้กำลัง
อัตราส่วนความกว้างต่อความยาวของทรานซิสเตอร์และพารามิเตอร์ของกระบวนการผลิตเป็นตัวกำหนดระดับที่แน่นอน
การเพิ่มแรงดันเกณฑ์หรือลดแรงดันไฟเลี้ยงจะช่วยลดการรั่วไหล แต่จะทำให้ความเร็วในการสวิตช์ลดลง
การรั่วไหลจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ ดังนั้นจุดที่มีความร้อนสูงอาจเป็นส่วนสำคัญที่ทำให้ค่าใช้จ่ายสูงขึ้นในกรณีที่เลวร้ายที่สุด
ในเทคโนโลยีการผลิตขั้นสูง การรั่วไหลของกระแสไฟคิดเป็นประมาณ 40-60% ของการสูญเสียพลังงาน ฉนวนเกตที่มีค่า K สูงและการไบแอสตัวถังช่วยลดการรั่วไหลให้ต่ำกว่า 100 pA/µm ได้
เทคโนโลยีการผลิตขั้นสูง เช่น 22nm FD-SOI รองรับการทำงานในสภาวะต่ำกว่าเกณฑ์ (subthreshold operation) แต่การทำงานในสภาวะต่ำกว่าเกณฑ์ทำให้ชิปไวต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิมากขึ้น ดังนั้นควรตรวจสอบประสิทธิภาพในช่วงอุณหภูมิ -40°C ถึง 85°C
สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) ที่ใช้พลังงานต่ำ ให้ปรับความถี่ก่อน จากนั้นค่อยปรับแรงดันไฟฟ้า ตรวจสอบการใช้พลังงานของ MCU ที่รอบการทำงานจริง ไม่ใช่ที่ค่าสูงสุด วัดการใช้พลังงานในแต่ละสถานะพักเครื่องบนบอร์ดของคุณเอง แม้แต่ MCU ที่ใช้พลังงานต่ำและมีค่าการรั่วไหลที่ดี ก็ยังคงสิ้นเปลืองพลังงานหากเฟิร์มแวร์ของคุณไม่อนุญาตให้มันพักเครื่อง
สถาปัตยกรรมไมโครคอนโทรลเลอร์พลังงานต่ำ
โหมดพักเครื่อง, การควบคุมเวลา และโดเมนพลังงาน
โหมดพักเครื่องจะกำหนดจุดต่ำสุดของงบประมาณพลังงานของคุณ โดยปกติแล้วกระแสไฟที่ใช้จะลดลงอย่างมากเมื่อคุณลดระดับลง โหมดพักเครื่องใช้กระแสไฟประมาณ 2–5 มิลลิแอมป์ โหมดหยุดใช้ประมาณ 20–100 ไมโครแอมป์ และโหมดสแตนด์บายใช้ประมาณ 1–5 ไมโครแอมป์ แหล่งที่มาของการปลุกเครื่องจะกำหนดว่าคุณจะกลับเข้าสู่โหมดพักเครื่องบ่อยแค่ไหน ขอบสัญญาณ GPIO, RTC, ตัวเปรียบเทียบแบบอนาล็อก และค่าเกณฑ์ ADC สามารถปลุกชิปได้ทั้งหมด เลือกตัวกระตุ้นที่ช้าที่สุดที่แอปพลิเคชันของคุณสามารถรองรับได้
การควบคุมสัญญาณนาฬิกาจะหยุดสัญญาณนาฬิกาไปยังบล็อกที่ไม่ได้ใช้งาน และการแบ่งส่วนโดเมนพลังงานจะตัดการจ่ายไฟไปยังพื้นที่ทั้งหมดของชิป โดเมนระดับชิปเหล่านี้จะตรงกับรางจ่ายไฟของบอร์ด โดเมนที่คุณไม่เคยใช้ไม่ควรได้รับแรงดันไฟฟ้าเลย การแมปนี้เป็นหัวใจสำคัญของการจัดการพลังงานในไมโครคอนโทรลเลอร์
เมื่อทำการปรับสเกล ควรลดความถี่ก่อน จากนั้นจึงลดแรงดันไฟฟ้า การปรับสเกลความถี่นั้นรวดเร็วและปลอดภัย ส่วนการปรับสเกลแรงดันไฟฟ้าจำเป็นต้องใช้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่เสถียรและช่วงเวลาหน่วงในการปรับตัว ควรใช้ลำดับนี้ในสถาปัตยกรรมไมโครคอนโทรลเลอร์พลังงานต่ำ ทุกตัว ที่คุณสร้างขึ้น
ตัวจับเวลา, ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) และตัวแปลง DC-DC ในตัว
สถาปัตยกรรมไมโครคอนโทรลเลอร์พลังงานต่ำอาศัยอุปกรณ์ต่อพ่วงที่ทำงานโดยไม่ต้องใช้ CPU ไมโครคอนโทรลเลอร์พลังงานต่ำที่มีตัวจับเวลาพลังงานต่ำสามารถปลุกตัวเองได้ในระยะเวลานานและปล่อยให้แกนประมวลผลอยู่ในโหมดประหยัดพลังงานขั้นสูง ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) จะช่วยโดยการเปรียบเทียบกับค่าเกณฑ์ในฮาร์ดแวร์ จากนั้นแกนประมวลผลจะตื่นขึ้นเฉพาะเมื่อมีเหตุการณ์จริงเกิดขึ้นเท่านั้น ซึ่งจะช่วยลดเวลาการทำงานและปรับปรุงการใช้พลังงานของไมโครคอนโทรลเลอร์ในระดับระบบ
ตัวแปลง DC-DC แบบรวมในตัวจะเปลี่ยนข้อแลกเปลี่ยน มันรักษาประสิทธิภาพไว้ได้ในช่วงแรงดันอินพุตที่กว้างและลดความร้อนลง ไมโครคอนโทรลเลอร์พลังงานต่ำที่มีตัวแปลงในตัวมักจะดีกว่ารางไฟแบบ LDO ในเรื่องกระแสไฟขณะพักเครื่อง ตรวจสอบกระแสไฟขณะหยุดทำงานของตัวแปลงก่อนตัดสินใจ ไมโครคอนโทรลเลอร์พลังงานต่ำจะดีได้ก็ต่อเมื่อแหล่งจ่ายไฟดีเท่านั้น
ให้ถือว่า MCU เป็นศูนย์กลางของการจัดการพลังงานไมโครคอนโทรลเลอร์ ควบคุมการไหลของพลังงานไปยังอุปกรณ์ต่อพ่วงแต่ละตัวตามความต้องการ วัดกระแสไฟขณะอยู่ในโหมดสลีปในทุกโหมดบนบอร์ดของคุณเอง สถาปัตยกรรม MCU ที่ใช้พลังงานต่ำจะให้ผลตอบแทนที่ดีหากปฏิบัติตามระเบียบนี้ MCU ที่ใช้พลังงานต่ำที่ไม่เคยอยู่ในโหมดสลีปเลยจะสิ้นเปลืองซิลิคอน โหมดสลีปแบบลึกเป็นเรื่องที่ต้องตั้งค่าในเฟิร์มแวร์ ไม่ใช่คุณสมบัติในเอกสารข้อมูล กระแสไฟขณะอยู่ในโหมดสลีปแบบลึกขึ้นอยู่กับสิ่งที่คุณเปิดใช้งาน โหมดสลีปแบบลึกจะให้ผลดีก็ต่อเมื่อบล็อกที่ไม่ได้ใช้งานทั้งหมดถูกปิดใช้งาน
เหตุใดพลังงานจึงมีความสำคัญต่ออุปกรณ์ IoT และอุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่
อายุการใช้งานแบตเตอรี่และการวางแผนงบประมาณพลังงาน
อุปกรณ์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ต้องอาศัยพลังงาน สำรอง เพื่อทำงานต่อไป เริ่มต้นจากหน่วยมิลลิแอมป์ชั่วโมงในแบตเตอรี่ แล้วแบ่งพลังงานนั้นไปใช้กับทุกงานที่อุปกรณ์ทำ การใช้พลังงานในโหมดสแตนด์บาย พลังงานในการปลุก การส่งสัญญาณวิทยุ และการปรับค่าเซ็นเซอร์ ล้วนดึงพลังงานจากแหล่งเดียวกัน หากคุณมองข้ามการใช้งานเพียงอย่างใดอย่างหนึ่ง อาจทำให้พลังงานทั้งหมดหมดไปได้
สร้างงบประมาณจากตัวเลขที่วัดได้ ไม่ใช่การประมาณการ ตรวจสอบการใช้พลังงานของแต่ละสถานะบนแผงวงจรของคุณเอง จากนั้นคูณกระแสไฟฟ้าของแต่ละสถานะด้วยระยะเวลาที่อุปกรณ์อยู่ในสถานะนั้น ผลรวมจะแสดงอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่แท้จริง หากผลลัพธ์ต่ำกว่าที่คาดไว้ ให้หาค่าที่ใช้พลังงานมากที่สุดก่อน โดยทั่วไปแล้ว การออกแบบส่วนใหญ่จะสูญเสียพลังงานไปกับอุปกรณ์ต่อพ่วงที่ไม่ได้ใช้งานมากกว่าการประมวลผลที่ใช้งานอยู่
ข้อควรพิจารณาด้านความร้อนและความน่าเชื่อถือ
ความต้านทานไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำทำให้เกิดความร้อนแปรผันตามกระแสไฟฟ้าและความถี่ในการสวิตช์ ความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่สูงขึ้นและการรวมวงจรที่หนาแน่นขึ้นจะยิ่งทำให้ปัญหานี้รุนแรงขึ้น อุณหภูมิที่จุดเชื่อมต่อเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญ อุปกรณ์ซิลิคอนมักได้รับการจัดอันดับสำหรับอุณหภูมิที่จุดเชื่อมต่อสูงสุดที่ 85°C ถึง 150°C ขึ้นอยู่กับเกรด การใช้งานเกินขีดจำกัดเหล่านี้จะเร่งการเสื่อมสภาพผ่านการเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอน ความเครียดจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ และการเสื่อมสภาพของโลหะ
ความต้านทานความร้อนของแพ็คเกจ ซึ่งมักอยู่ที่ 20°C/W ถึง 60°C/W สำหรับชิ้นส่วน QFN และ BGA ทำให้เกิดการไล่ระดับอุณหภูมิระหว่างตัวชิปกับสภาพแวดล้อม จุดร้อนเฉพาะที่บริเวณแกน CPU, PLL และหน่วยจัดการพลังงาน อาจมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิเฉลี่ยของตัวชิป 20–30°C การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิในการทำงานทุกๆ 10°C อาจทำให้อายุการใช้งานที่คาดหวังของอุปกรณ์ลดลงครึ่งหนึ่ง ตามสมการของ Arrhenius สำหรับการเร่งอัตราความล้มเหลว
คุณมีหลายวิธีที่จะช่วยลดความร้อนและยืดอายุการใช้งาน:
เลือกชิ้นส่วนที่มีค่าความต้านทานความร้อนต่ำกว่าในบรรจุภัณฑ์เดียวกัน
ปรับปรุงแผ่นระบายความร้อนหรือเปลี่ยนไปใช้ระบบระบายความร้อนแบบแอคทีฟ
ลดความถี่ในการสลับสวิตช์เพื่อลดการสูญเสียแบบไดนามิก
การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ 70 K ที่ได้จากโปรไฟล์โหลด ช่วยให้สามารถใช้ฮีทซิงค์ที่มีอุณหภูมิสูงสุด 55°C ได้ เมื่อขีดจำกัดอุณหภูมิของชิปอยู่ที่ 125°C
ตรวจสอบความต้องการพลังงานของรางแต่ละรางเทียบกับขีดจำกัดเหล่านี้ การออกแบบระบายความร้อนแบบระมัดระวังโดยมีระยะเผื่อจะดีกว่าการออกแบบที่เข้มงวดเกินไปเมื่อต้นทุนเอื้ออำนวย
การจัดการพลังงานและประสิทธิภาพการใช้พลังงานในทางปฏิบัติ
เทคนิคเฟิร์มแวร์เพื่อลดเวลาการทำงาน
เวลาคือตัวแปรสำคัญที่สุด ลดเวลาที่ใช้ในการประมวลผลและปล่อยให้ระบบอยู่ในโหมดพักเครื่องมากขึ้น การใช้พลังงานของระบบโดยรวมก็จะลดลง กระแสไฟขณะพักเครื่องที่ไมโครคอนโทรลเลอร์แจ้งมานั้นเป็นค่าต่ำสุด ส่วนวิธีการที่เฟิร์มแวร์กำหนดตารางงานจะเป็นตัวกำหนดค่าสูงสุดของกระแสไฟที่คุณจะได้รับจริง
โปรแกรมเซ็นเซอร์แบบสวมใส่ได้แสดงให้เห็นสิ่งนี้อย่างชัดเจน ลูปหลักกำลังรอรับข้อมูลจากธุรกรรม I2C แทนที่จะเข้าสู่ WFI ซึ่งเป็นคำสั่งของ Cortex-M ที่หยุดนาฬิกาของ CPU จนกว่าจะมีการขัดจังหวะครั้งถัดไป การแก้ไขในภายหลังทั้งหมด ไม่ว่าจะเป็นการกำหนดเวลาของเซ็นเซอร์ โครงสร้างนาฬิกา หรืออัตราความเร็วของนาฬิกา eMMC ล้วนถูกจำกัดด้วยการตัดสินใจเพียงครั้งเดียวนี้ ลูปการตรวจสอบสถานะใช้กระแสไฟ 200 µA ถึง 3 mA การปลุกด้วยการขัดจังหวะช่วยลดค่าใช้จ่ายนั้นลง
เทคนิคเฟิร์มแวร์ | การออมโดยทั่วไป | ความพยายาม |
|---|---|---|
แก้ไขลูปการนอนหลับให้ถูกต้องแล้ว ไม่มีการวนซ้ำ | 500 µA – 2 mA | ต่ำ |
การหมุนเวียนหน้าที่วิทยุ | 50–800 µA เฉลี่ย | กลาง |
การควบคุมการจ่ายไฟอุปกรณ์ต่อพ่วงผ่านสวิตช์โหลด | 7–800 µA | กลาง |
สถานะของขา SPI ในโหมดสลีป (ไดรฟ์ต่ำ) | 10–30 µA | ต่ำ |
การปลุกด้วยการขัดจังหวะ ไม่มีการตรวจสอบสถานะเป็นระยะ | 200 µA – 3 mA | กลาง |
ทางลัด SPIM DMA + PPI | 50–200 µA | จุดสูง |
ตัวควบคุม DC/DC ช่วยให้ | กระแสไฟฟ้าใช้งาน 20–50 µA | ต่ำ |
การเลือกแหล่งสัญญาณนาฬิกา | 0.1–0.9 µA | ต่ำ |
บนชิป nRF52840 การเปิดใช้งานระบบโดยที่ CPU ปิดอยู่ จะใช้กระแสไฟประมาณ 1.5 µA รวมทั้งอุปกรณ์ต่อพ่วง และใช้เวลาประมาณ 6 µs ในการปลุกเครื่อง ในขณะที่การปิดระบบจะใช้กระแสไฟประมาณ 0.4 µA แต่จะปลุกเครื่องเหมือนกับการบูตเครื่องแบบเย็น ซึ่งใช้เวลาประมาณ 20 ms และ 6 mA·ms ต่อเหตุการณ์ ในอัตราการเกิดเหตุการณ์ที่สมจริง การเปิดใช้งานระบบจึงเป็นฝ่ายชนะ
เลือกใช้โหมดประหยัดพลังงานแบบลึกอย่างระมัดระวัง โหมดประหยัดพลังงานแบบลึกจะได้ผลดีก็ต่อเมื่อบล็อกที่ไม่ใช้งานทั้งหมดปิดอยู่ เลือกใช้เซ็นเซอร์ดิจิทัลที่ตื่นขึ้นเมื่อได้รับการขัดจังหวะหรือประมวลผลข้อมูลเป็นชุด หลีกเลี่ยงการสุ่มตัวอย่าง ADC ตลอดเวลา ซึ่งจะทำให้ MCU ทำงานอยู่ตลอดเวลา ใช้ทริกเกอร์แบบขับเคลื่อนด้วยเหตุการณ์เพื่อให้เครื่องต่อพ่วงและจอแสดงผลเปิดใช้งานเฉพาะเมื่อจำเป็นเท่านั้น เทคนิคการเพิ่มประสิทธิภาพพลังงานเหล่านี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานโดยไม่ต้องเพิ่มฮาร์ดแวร์ใหม่
กลยุทธ์การควบคุมการเข้าออกบริเวณรอบนอกและทางรถไฟ
ลองนึกถึงไมโครคอนโทรลเลอร์ว่าเป็นศูนย์ควบคุมพลังงานอัจฉริยะ สร้างกลไกควบคุมพลังงานเพื่อให้โมเด็ม จอแสดงผล ADC และเซ็นเซอร์ปิดการทำงานเมื่อไม่ได้ใช้งาน คำนึงถึงเวลาในการเปิดเครื่องและกระแสไฟกระชากก่อนที่จะตัดกระแสไฟ บางอุปกรณ์ไม่สามารถทนต่อวงจรการใช้พลังงานเต็มรูปแบบได้
การใช้เทคนิค Rail gating จะคุ้มค่าเมื่อแรงดันไฟฟ้าสองช่วงช่วยประหยัดพลังงานได้อย่างแท้จริง แต่คุณต้องยอมรับการใช้ตัวแปลงและตัวปรับระดับแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น ควรเลือกใช้ตัวแปลง DC-DC แบบสวิตชิ่งมากกว่า LDO เพราะตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบเชิงเส้นจะเปลี่ยนแรงดันตกเป็นความร้อน ปิดโมดูล MCU ภายในเมื่อไม่ได้ใช้งาน และควบคุมการทำงานแบบไดนามิกในโค้ดแทน
ให้ความสำคัญกับอุปกรณ์ต่อพ่วงมากกว่าการเลือกไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) หากบอร์ดใช้กระแสไฟประมาณ 500 mA ในขณะที่ MCU ใช้เพียงประมาณ 10 mA การปรับปรุงชิ้นส่วนจึงแทบไม่มีประโยชน์ ควรควบคุมโหลดขนาดใหญ่แทน สำหรับการออกแบบเพื่อการเก็บเกี่ยวพลังงาน กระแสไฟขณะหยุดทำงานระดับนาโนแอมป์ในตัวควบคุมจะช่วยรักษาระดับกระแสไฟให้คงที่ระหว่างการทำงาน ควรวัดทุกขั้นตอนด้วยเครื่องมือวัดประสิทธิภาพแทนการประมาณค่า วินัยนี้จะช่วยรักษาอายุการใช้งานแบตเตอรี่และประสิทธิภาพการใช้พลังงานในรุ่นต่อๆ ไป
การออกแบบระบบจ่ายไฟระดับบอร์ดสำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์
ข้อดีข้อเสียระหว่าง LDO กับ DC-DC
ตัวควบคุมที่คุณเลือกจะกำหนดประสิทธิภาพ ความร้อน และเสียงรบกวนก่อนที่เฟิร์มแวร์จะทำงาน เปรียบเทียบตัวเลือกทั้งสองในประเด็นที่สำคัญสำหรับรางของคุณ
Dimension | ตัวแปลงไฟฟ้า DC-DC | ตัวควบคุม LDO |
|---|---|---|
อย่างมีประสิทธิภาพ | โดยทั่วไป 80–95% | โดยทั่วไป 50–70% |
การสร้างความร้อน | ลด | สูงกว่า |
สัญญาณรบกวนขาออก | สูงขึ้น (สัญญาณรบกวนจากการสวิตช์ + EMI) | ต่ำมาก แทบไม่มีคลื่นเลย |
ส่วนประกอบภายนอก | หลายอย่าง (ตัวเหนี่ยวนำ ตัวเก็บประจุ สวิตช์) | สองสาม |
ปัจจุบันนิ่ง | บางครั้งอาจสูงกว่า | มักจะต่ำมาก |
การใช้งานที่ดีที่สุด | ระบบกระแสสูงที่มีแรงดันตกคร่อมสูง | ราง RF, รางอนาล็อก และรางที่ไวต่อสัญญาณรบกวน |
การสูญเสียพลังงานใน LDO จะเพิ่มขึ้นตามแรงดันตกคร่อมและกระแสโหลด การแปลงแรงดันจาก 5V เป็น 3.3V ที่กระแส 100mA จะสูญเสียพลังงาน 0.17W ซึ่งจัดการได้ง่าย แต่การแปลงแรงดันจาก 12V เป็น 3.3V ที่กระแส 500mA จะสูญเสียพลังงาน 4.35W ซึ่งทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไป ควรเลือกใช้ตัวแปลง DC-DC เมื่อแรงดันตกคร่อมและกระแสเพิ่มขึ้น
สัญญาณรบกวนเป็นตัวตัดสินที่เหลือ สัญญาณรบกวนจากการสวิตช์ทำให้ความแม่นยำของ ADC ลดลง ฮาร์โมนิกความถี่สูงลดความไวของ RF และสัญญาณรบกวนจากการสวิตช์ทำให้เกิดเสียงฟู่ในเส้นทางเสียง การตั้งค่าทั่วไปคือการต่อแบตเตอรี่หรือ 12V เข้ากับตัวแปลง DC-DC แบบสเต็ปดาวน์ จากนั้นใช้ LDO เพื่อลดสัญญาณรบกวน แล้วจึงต่อเข้ากับราง RF, ADC และเซ็นเซอร์ ADC 24 บิตที่มีความแม่นยำสูงบนราง 5V ถึง 3.3V จำเป็นต้องใช้ LDO เพราะสัญญาณรบกวนแบบบัค 10–30mV จะกลบสัญญาณไมโครโวลต์ ราง 12–14V ถึง 5V สำหรับยานยนต์ที่ 1.5A จำเป็นต้องใช้บัค เพราะ LDO จะสิ้นเปลืองพลังงานประมาณ 13.5W ตัวรับส่งสัญญาณ RF สำหรับ IoT ที่ 9V ถึง 3.3V และ 300mA ทำงานได้ดีที่สุดด้วยวงจรไฮบริด: บัคไปที่ 3.6V จากนั้น LDO ไปที่ 3.3V ซึ่งสิ้นเปลืองพลังงานเพียง 0.09W
การจัดลำดับราง การแยกส่วน และเสียงรบกวน
การแยกวงจรช่วยรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าให้คงที่เมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงโหลดอย่างฉับพลัน ควรวางตัวเก็บประจุเก็บพลังงานให้ใกล้กับวงจรที่ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ แหล่งจ่ายไฟเฉพาะจุดนี้จะช่วยลดพื้นที่ของวงจรไฟฟ้าและลดค่าความเหนี่ยวนำปรสิต
ปฏิบัติตามกฎการจัดวางดังต่อไปนี้:
ติดตั้งตัวเก็บประจุแต่ละตัวไว้ข้างๆ ขา VDD–VSS ของมัน และควรต่อวงจรให้สั้นที่สุด
จับคู่ตัวเก็บประจุความถี่สูงขนาด 0.1 µF กับตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ 4.7 µF หรือ 10 µF ที่อยู่ใกล้เคียง
ควรใช้ตัวเก็บประจุหนึ่งตัวต่อขาจ่ายไฟหนึ่งขา และห้ามใช้ตัวเก็บประจุร่วมกันระหว่างขาที่อยู่ห่างกัน
ต่อขั้วหนึ่งเข้ากับเส้นทาง VDD และต่อขั้วอีกขั้วหนึ่งตรงผ่านรูเจาะไปยังระนาบกราวด์
ใช้แผ่นกราวด์และแผ่นจ่ายไฟแบบต่อเนื่องเพื่อให้เส้นทางส่งกลับมีความต้านทานต่ำ เพิ่มลูกปัดเฟอร์ไรต์หรือตัวต้านทานขนาดเล็กบนสาย VDD เพื่อสร้างตัวกรอง RC หรือ LC ในแผงวงจรแบบผสมสัญญาณ ให้ต่อกราวด์อนาล็อกและดิจิทัลเข้าด้วยกันที่จุดเดียว และกรอง AVDD แยกต่างหาก
ตรวจสอบพฤติกรรมการเกิดไฟตกและการรีเซ็ตตั้งแต่เนิ่นๆ ตัวควบคุมการรีเซ็ตจะต้องคงสถานะรีเซ็ตของ MCU ไว้จนกว่าแรงดันไฟฟ้าจะเสถียร และสาย GPIO ที่ออกจากบอร์ดจะต้องมีตัวต้านทานอนุกรมและไดโอดหน่วงกระแส
ขั้นตอนเหล่านี้ช่วยปกป้องการควบคุม MCU ในระหว่างการเริ่มต้นระบบ และทำให้การจัดการพลังงานของไมโครคอนโทรลเลอร์มีความสม่ำเสมอและคาดการณ์ได้ในแต่ละเวอร์ชัน
ข้อควรพิจารณาด้านการจัดวาง การระบายความร้อน และการออกแบบเพื่อการผลิต (DFM)
การจัดวางคริสตัล นาฬิกา และระนาบกราวด์
วางคริสตัลให้ใกล้กับไมโครคอนโทรลเลอร์มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ เส้นทางเดินสัญญาณที่สั้นจะช่วยลดสัญญาณรบกวนและทำให้สัญญาณสะอาด เดินเส้นทางเหล่านั้นอย่างสมดุล เพราะความยาวที่ไม่เท่ากันอาจทำให้การสั่นไม่เสถียร หลีกเลี่ยงการใช้ vias บนเส้นทางเดินสัญญาณของคริสตัล เนื่องจากค่าความเหนี่ยวนำที่เพิ่มขึ้นจะส่งผลเสียต่อความแม่นยำของเวลา ใช้ตัวเก็บประจุโหลดที่มีค่าตรงกับข้อกำหนดของคริสตัล และเชื่อมต่อเข้ากับกราวด์ที่มีความต้านทานต่ำ
เส้นทางเดินสายที่ยาวเกินไปจะเพิ่มค่าความเหนี่ยวนำและความจุที่ไม่ต้องการ มันจะเปลี่ยนโหลดที่คริสตัลรับรู้และทำให้ออสซิลเลเตอร์ไวต่อสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้ามากขึ้น ควรวางเส้นทางเดินสายของคริสตัลให้ห่างจากสัญญาณสวิตช์ความเร็วสูงและสายไฟ สัญญาณรบกวนที่เข้ามาจะเพิ่มความคลาดเคลื่อน ทำให้สัญญาณรบกวนเฟสแย่ลง และอาจทำให้การเริ่มต้นทำงานไม่น่าเชื่อถือ วงแหวนป้องกันและทองแดงที่เติมเฉพาะจุดจะช่วยเพิ่มภูมิคุ้มกัน แต่ทองแดงมากเกินไปใกล้กับขาของคริสตัลจะเพิ่มความจุที่ไม่พึงประสงค์ ควรสร้างสมดุลระหว่างการป้องกันกับโหลด และปฏิบัติตามคำแนะนำของผู้ผลิตคริสตัลเกี่ยวกับค่าความจุ ระดับการขับ และระยะขอบการเริ่มต้นทำงาน
กลยุทธ์การวางระนาบกราวด์สนับสนุนหลักการทั้งหมดนี้ ใช้ระนาบต่อเนื่องเพียงระนาบเดียวใต้ไมโครคอนโทรลเลอร์ และทำให้กระแสย้อนกลับสั้น กรองสัญญาณอ้างอิงของ ADC แยกต่างหาก เพราะสัญญาณรบกวนอ้างอิงจะปรากฏโดยตรงในค่าที่วัดได้
ข้อควรพิจารณาในการออกแบบทางความร้อนและการผลิต
ความร้อนทำให้อายุการใช้งานสั้นลง อุณหภูมิที่จุดเชื่อมต่อเป็นตัวเร่งการเสื่อมสภาพ และแพ็คเกจที่กำหนดอุณหภูมิไว้ที่ 85°C ถึง 150°C นั้นเหลือพื้นที่ใช้งานด้านบนน้อยมาก ความต้านทานความร้อนของแพ็คเกจที่ 20°C/W ถึง 60°C/W สำหรับชิ้นส่วน QFN และ BGA กำหนดค่าความแตกต่างของอุณหภูมิจากชิปไปยังสภาพแวดล้อม ทองแดงที่ใช้ทำรางระบายความร้อนใต้ชิ้นส่วนและรูระบายความร้อนไปยังชั้นภายในจะช่วยกระจายความร้อน ตรวจสอบรางระบายความร้อนทุกรางเทียบกับขีดจำกัดเหล่านี้ก่อนที่จะทำการล็อกการประกอบชิ้นส่วน
ข้อจำกัดของ DFM (Design for Manufacturing) มีผลต่อการตัดสินใจเลือกเช่นเดียวกันลายวงจรบางช่วยประหยัดพื้นที่แต่เพิ่มความต้านทานและความร้อน การใช้ Via-in-pad ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพด้านความร้อนแต่มีต้นทุนการผลิตสูงกว่า การใช้งานแผงและจำนวนชั้นมีผลต่อต้นทุน ดังนั้นควรตรวจสอบข้อกำหนดขั้นต่ำของโรงงานเกี่ยวกับการเจาะรู วงแหวน และระยะห่างของหน้ากากบัดกรีตั้งแต่เนิ่นๆ การออกแบบที่ละเลยกฎเหล่านี้จะต้องได้รับการแก้ไขใหม่ ตรวจสอบด้านความร้อนและ DFM ไปพร้อมกัน และการออกแบบระบบจ่ายไฟจะสามารถใช้งานได้ดีทั้งในห้องทดลองและในสายการผลิต
การเลือก MCU ที่เหมาะสม
เกณฑ์และข้อแลกเปลี่ยน
เริ่มจากการวัดกระแสไฟจริง ไม่ใช่ชื่อโหมดต่างๆ หารกระแสไฟขณะทำงานด้วยความถี่ (MHz) เพื่อให้คุณสามารถเปรียบเทียบชิ้นส่วนต่างๆ ได้อย่างเท่าเทียมกัน ตรวจสอบกระแสไฟขณะพักเครื่อง เนื่องจากเป็นตัวกำหนดว่าแบตเตอรี่ของคุณจะใช้งานได้นานแค่ไหนขณะไม่ได้ใช้งาน จากนั้นตรวจสอบให้แน่ใจว่าหน่วยความจำแฟลชและ RAM สามารถรองรับเฟิร์มแวร์ ไลบรารีความปลอดภัย และอิมเมจ OTA ได้
เกณฑ์ | ทำไมมันถึงมีความสำคัญ | ช่วงอุปกรณ์ IoT ที่ใช้พลังงานต่ำทั่วไป |
|---|---|---|
กระแสไฟฟ้าที่ใช้งานอยู่ | ควบคุมการใช้พลังงานระหว่างการประมวลผลที่รวดเร็ว | ~30–120 µA/MHz |
กระแสไฟขณะพัก/สแตนด์บาย | ตั้งค่าอายุการใช้งานแบตเตอรี่ขณะไม่ได้ใช้งาน | ~50 nA – 5 µA |
แฟลช | เก็บเฟิร์มแวร์, ระบบรักษาความปลอดภัย และการอัปเดตแบบ OTA | ~64 KB – 1 MB |
แรม | บัฟเฟอร์ข้อมูลเซ็นเซอร์และบล็อกเข้ารหัส | ~8 KB – 256 KB |
วิทยุแบบบูรณาการ | ตัดส่วนภายนอกและทางรั่วซึม | BLE / Sub-GHz / Wi-Fi SoC |
ควรพิจารณาความสมดุลระหว่างความเร็วกับอายุการใช้งานแบตเตอรี่ นาฬิกาที่เร็วขึ้นจะทำงานเสร็จเร็วขึ้น แต่จะใช้กระแสไฟมากขึ้นในขณะนั้น การทำงานเป็นช่วงสั้นๆ ตามด้วยโหมดประหยัดพลังงานมักจะช่วยประหยัดพลังงานโดยรวมได้มากที่สุด นอกจากนี้ควรพิจารณาต้นทุนกับการรวมระบบเข้าด้วยกัน ไมโครคอนโทรลเลอร์แยกต่างหากและวงจรส่งสัญญาณภายนอกจะช่วยลดราคาต่อหน่วยลง แต่จะเพิ่มการรั่วไหลของวงจรบนบอร์ดและการสูญเสียจากตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า ชิปประมวลผลแบบรวม (SoC) ทำให้การออกแบบและการจัดการพลังงานง่ายขึ้น แม้ว่าต้นทุนของซิลิคอนจะสูงกว่าก็ตาม
เปรียบเทียบตระกูลยอดนิยมใน MCU
ชิ้นส่วน ARM Cortex-Mเช่น STM32F0 และ STM32F3 ให้โหมดประหยัดพลังงานและระบบนิเวศที่แข็งแกร่ง STM32F0 มุ่งเน้นการประหยัดพลังงาน ในขณะที่ STM32F3 เน้นความเร็วมากกว่าพลังงาน Espressif ESP8266 และ ESP32 มี Wi-Fi และ ESP32 เพิ่ม Bluetooth ส่วน ATmega328 ยังคงมีราคาถูกและใช้งานง่าย พร้อมการสนับสนุนจากชุมชนอย่างแข็งแกร่ง
MSP430 ได้ชื่อมาจากประสิทธิภาพการทำงานที่ใช้พลังงานต่ำมาก แม้ว่าตระกูล ARM Cortex-M0 และ STM32U0 รุ่นใหม่ๆ จะมีประสิทธิภาพใกล้เคียงกันแล้ว แต่ MSP430 ยังคงมีข้อได้เปรียบที่แท้จริงด้วย FRAM ซึ่งมีความทนทานต่อการเขียนข้อมูลได้เกือบไม่จำกัดและใช้พลังงานในการเขียนต่ำมาก เหมาะสำหรับการเก็บเกี่ยวพลังงานและการบันทึกข้อมูลอย่างต่อเนื่อง สำหรับการออกแบบใหม่ส่วนใหญ่ ควรพิจารณา Cortex-M0 หรือ STM32U0 ก่อน แต่ถ้า FRAM มีความสำคัญ ควรเลือก MSP430 ตัวเลือกในการอัพเกรด ได้แก่ TI MSPM0 หรือ STM32U0
เลือกใช้ระบบปฏิบัติการให้เหมาะสมกับความต้องการด้านหน่วยความจำและพลังงาน FreeRTOS ทำงานได้บนชิ้นส่วนขนาดเล็ก ในขณะที่ Embedded Linux ต้องการ RAM และ Flash มากกว่า พิจารณาการเพิ่มประสิทธิภาพของไมโครคอนโทรลเลอร์/หน่วยประมวลผลเป็นงานของระบบโดยรวม แม้แต่ไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ประหยัดพลังงานที่สุดก็ยังสิ้นเปลืองพลังงานหากเฟิร์มแวร์ของคุณไม่เคยเข้าสู่โหมดสลีป เปรียบเทียบไมโครคอนโทรลเลอร์พลังงานต่ำโดยใช้ Duty Cycle ของคุณเอง ไมโครคอนโทรลเลอร์พลังงานต่ำที่มีประสิทธิภาพสูงก็อาจแพ้ไมโครคอนโทรลเลอร์พลังงานต่ำที่มีความหน่วงในการปลุกที่ดีกว่า เลือกไมโครคอนโทรลเลอร์พลังงานต่ำที่มีแหล่งปลุกที่เหมาะสมกับเหตุการณ์ของคุณ การเลือกแบบนั้นสำคัญกว่าข้อมูลจำเพาะเพียงอย่างเดียว ไมโครคอนโทรลเลอร์พลังงานต่ำที่เหมาะสมกับปริมาณงานของคุณคือผู้ชนะ
แนวโน้มในอนาคตของพลังงานสำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU)
ความก้าวหน้าของกระบวนการและการแปลงพลังงานแบบบูรณาการ
ผู้ผลิตชิปยังคงพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตซิลิคอนให้มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ และแต่ละขั้นก็ลดแรงดันไฟฟ้าที่แกนประมวลผลต้องการในการสลับวงจรลง การลดลงของแรงดันไฟฟ้านี้ช่วยลดพลังงานแบบไดนามิก แต่การรั่วไหลของพลังงานกลับมีสัดส่วนมากขึ้นเมื่อเทียบกับพลังงานทั้งหมด นักออกแบบจึงตอบสนองด้วยการปรับไบแอสตัวถัง ไดอิเล็กทริกที่มีค่า K สูง และการแบ่งส่วนโดเมนพลังงานที่ละเอียดขึ้น คาดว่าชิ้นส่วนในอนาคตจะมีการแบ่งส่วนโดเมนมากขึ้น ไม่ใช่ลดลง ดังนั้นควรวางแผนงบประมาณด้านรางจ่ายไฟเผื่อไว้ด้วย
การรวมวงจรเป็นอีกหนึ่งการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ ผู้ผลิตในปัจจุบันได้ใส่ตัวแปลงแรงดันแบบ Buck และ LDO ไว้ในชิปตัวเดียวกันกับแกนประมวลผลแล้ว ชิป ARM Cortex-M0 32 บิตรุ่นล่าสุดตัวหนึ่งทำงานที่ความเร็ว 24 MHz ในช่วงแรงดัน 1.8–3.3 V และใช้กระแสไฟ 18 µA/MHz บน CoreMark กระแสไฟในโหมด deep-sleep อยู่ที่ 340 nA โดยที่ RTC และ SRAM ขนาด 8 kB ยังคงทำงานอยู่ ตัวแปลงแรงดันแบบ Buck ที่เหนี่ยวนำบนชิป, LDO และโหมดประหยัดพลังงาน 1 MHz ทำให้สิ่งนี้เป็นไปได้ คุณจะได้รับประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่ดีขึ้นเนื่องจากตัวแปลงแรงดันจะปรับแรงดันให้ตรงกับแรงดันของแกนประมวลผลแทนที่จะเผาผลาญส่วนต่างเป็นความร้อน
การเก็บเกี่ยวพลังงานและการทำงานที่ใช้พลังงานต่ำมาก
เทคโนโลยีการเก็บเกี่ยวพลังงานกำลังพัฒนาจากขั้นสาธิตในห้องปฏิบัติการไปสู่แท็กและเซ็นเซอร์อัจฉริยะ ปัจจุบันการออกแบบแบบสองแหล่งพลังงานได้ผสานคลื่นความถี่วิทยุเข้ากับเซลล์แสงอาทิตย์ ทำให้แท็กยังคงทำงานต่อไปได้แม้ว่าแหล่งพลังงานหนึ่งจะอ่อนลง วงจร PMIC ที่ใช้งานร่วมกันจะจัดการส่วนหน้าของการเก็บเกี่ยวพลังงาน ผู้ผลิตนำเสนอชิ้นส่วนสำหรับอินพุตจากเซลล์แสงอาทิตย์ คลื่นความถี่วิทยุ การสั่นสะเทือน ความร้อน และแหล่งพลังงานคู่ รวมถึงรุ่นไฮบริดที่ใช้พลังงานต่ำถึงสูงด้วย
ให้ถือว่าไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) เป็นผู้ควบคุมดูแลรางจ่ายไฟที่เก็บเกี่ยวมานั้นไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้พลังงานต่ำควรตื่นขึ้นมาเมื่อตรวจพบตัวเปรียบเทียบหรือตัวจับเวลา อ่านค่าหนึ่งครั้ง แล้วกลับเข้าสู่โหมดประหยัดพลังงานขั้นสุด ไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้พลังงานต่ำในตารางด้านบนจะรักษาหน่วยความจำ SRAM ขนาด 8 kB ให้ทำงานในโหมดประหยัดพลังงานขั้นสุด ดังนั้นคุณจึงหลีกเลี่ยงการบูตเครื่องแบบเย็นทุกครั้งที่มีเหตุการณ์เกิดขึ้น พฤติกรรมนี้ช่วยยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ในผลิตภัณฑ์ที่ยังคงใช้เซลล์แบตเตอรี่อยู่ เลือกไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้พลังงานต่ำที่มีช่วงแรงดันไฟฟ้ากว้างและโหมด 1 MHz ที่แท้จริง จากนั้นวัดกระแสไฟฟ้าขณะหยุดทำงานของรางจ่ายไฟแต่ละราง เพราะการเก็บเกี่ยวพลังงานจะไม่ทิ้งพลังงานใดๆ ให้สูญเปล่า
วัดกำลังไฟก่อน จากนั้นใช้สถาปัตยกรรม วิธีเฟิร์มแวร์ การออกแบบระดับบอร์ด และการเลือกไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) ที่ชาญฉลาดตามลำดับ แต่ละชั้นจะสร้างขึ้นจากตัวเลขที่คุณรวบรวมไว้ก่อนหน้านี้
การออกแบบระบบจ่ายไฟที่ดีต้องผ่านกระบวนการหลายขั้นตอน ครอบคลุมทั้งซิลิคอน แผงวงจร และซอฟต์แวร์ การเลือกใช้ชิปเพียงตัวเดียวไม่อาจทำให้ได้ผลลัพธ์ที่ดี และกระบวนการเพียงครั้งเดียวก็ไม่อาจทำให้เสร็จสมบูรณ์ คุณจะพัฒนาการควบคุมไมโครคอนโทรลเลอร์ได้ดีขึ้นเมื่อการวัดค่าต่างๆ แม่นยำขึ้น
เริ่มเลยตอนนี้ วิเคราะห์การออกแบบปัจจุบันและหาจุดที่ใช้พลังงานมากที่สุด แก้ไขจุดนั้นก่อน แล้ววัดผลอีกครั้ง คำนึงถึงข้อจำกัดด้านการออกแบบเพื่อการผลิต (DFM) และกระบวนการผลิต แล้วไมโครคอนโทรลเลอร์ของคุณจะบรรลุเป้าหมายอายุการใช้งานแบตเตอรี่
คำถามที่พบบ่อย
ฉันจะวัดกระแสไฟฟ้าขณะนอนหลับจริงบนบอร์ดของฉันเองได้อย่างไร?
วัดกระแสที่รางจ่ายไฟ ไม่ใช่ที่แหล่งจ่ายไฟบนโต๊ะ ตัดวงจรที่เชื่อมต่อกับ MCU แล้วเสียบตัวต้านทานวัดกระแสหรือจัมเปอร์สำหรับมิเตอร์ ปล่อยให้เฟิร์มแวร์เข้าสู่โหมดสลีปแต่ละครั้ง แล้วบันทึกกระแสเป็นเวลาหลายนาที ลบกระแสที่ไหลขณะไม่ได้ใช้งานของตัวควบคุมออก ตัวเลขในเอกสารข้อมูลจำเพาะมักจะไม่ตรงกับบอร์ดของคุณ
ฉันควรเลือกใช้ LDO แทนตัวแปลง DC-DC เมื่อใด?
เลือกใช้ LDO สำหรับวงจรที่ไวต่อสัญญาณรบกวน เช่น วงจรอ้างอิง ADC, วงจรหน้า RF และเซ็นเซอร์อนาล็อกเลือกใช้ตัวแปลง DC-DC เมื่อแรงดันตกและกระแสโหลดสูง วงจรไฮบริดก็ใช้ได้ดีเช่นกัน: ลดแรงดันลงใกล้ระดับเป้าหมาย จากนั้นใช้ LDO เพื่อปรับแรงดันให้เหมาะสม วิธีนี้จะช่วยลดความร้อนและควบคุมสัญญาณรบกวนได้
ฉันควรเลือกแหล่งปลุกแบบใดสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่?
เลือกตัวกระตุ้นที่ช้าที่สุดเท่าที่แอปพลิเคชันของคุณจะทนได้ การเปลี่ยนแปลงขอบสัญญาณ GPIO จะปลุกเร็วที่สุด แต่จะเกิดขึ้นบ่อยกว่า สัญญาณเตือน RTC ตัวเปรียบเทียบแบบอนาล็อก หรือเกณฑ์ ADC จะปลุกน้อยกว่าและประหยัดพลังงานมากกว่า จับคู่แหล่งที่มาของการปลุกกับอัตราการเกิดเหตุการณ์จริงของคุณ จากนั้นวัดพลังงานต่อรอบการปลุก
ฉันจะตรวจสอบความถูกต้องของคำกล่าวอ้างเรื่องการใช้พลังงานต่ำในเอกสารข้อมูลจำเพาะได้อย่างไร?
อย่าสนใจชื่อโหมด ให้เปรียบเทียบกระแสที่วัดได้ต่อเมกะเฮิร์ตซ์ในโหมดแอคทีฟ ตรวจสอบกระแสสแตนด์บาย ความหน่วงในการปลุก และต้นทุนการเก็บรักษาข้อมูลใน SRAM เรียกใช้ ULPMark-CP และ ULPMark-PP หากผู้ผลิตเผยแพร่ข้อมูลเหล่านั้น จากนั้นยืนยันตัวเลขบนบอร์ดของคุณเองที่อุณหภูมิสูงสุดและต่ำสุดไมโครคอนโทรลเลอร์ ที่ดี จะได้รับคะแนนตามประสิทธิภาพในวงจรของคุณ ไม่ใช่แค่บนกระดาษ
การออกแบบระบบจ่ายไฟที่มีประสิทธิภาพต้องอาศัยความอดทน เริ่มจากการวิเคราะห์ข้อมูลก่อน แก้ไขปัญหาอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานมากที่สุด แล้วจึงทำการวัดผลอีกครั้ง ทุกครั้งที่ทำการวัดผล ผลิตภัณฑ์ของคุณจะเข้าใกล้เป้าหมายอายุการใช้งานแบตเตอรี่มากขึ้น
