复杂系统的低功耗实现过程

        之所以将标题称为一个“过程”，而不是“方案”，是因为，复杂的系统做低功耗不是一蹴而就的，要经历功耗评估、设计、验证、再评估、再设计、再验证，如此循环，直到满足预期；在一个产品中最终可能会有若干种功耗控制方案。

        不同产品、不同场景下的低功耗设计过程可能会很不相同，这一般取决于两方面的因素：

        1、功耗现状；

        2、续航预期要求；

        举例：当前没有做任何低功耗处理，续航10小时；如果实际部分机器只差半小时，这时可能只需打开操作系统的某个低功耗控制开关即可，如FreeRTOS的configUSE_TICKLESS_IDLE；而如果实际机器续航差了一两个小时，这时候可能需要从某个用电大户里面抠，这可能会降低其性能；如果实际机器续航差了五六个小时，这时候可能要重新设计软硬件方案了。

功耗评估

        功耗评估环节是走在功耗需求确立之前的，在整体功能确立之后，在明确各个功能消耗功率情况的基础上，根据经验评估该产品的平均功耗、理论续航时间，详细过程如下：

        过程1、确定初步的续航时间，这个一般是根据竞品情况分析出来的；如果没有竞品，属于首次开发，就只能先跳过这个环节；

       过程 2、确定功能需求，主要是确定产品会用到哪些类型的元器件，一般来说，所使用的元器件类型确定后，该产品功耗等级就基本定了；比如：如果该产品需要使用WiFi，那么不管选用哪一家的WiFi模块，各个厂家的WiFi模块功耗都不会差太远，那么我们设计的产品在使用WiFi时候的功耗都差不太多；

       过程 3、搜集产品将使用的各种元器件的DataSheet，一般元器件的datasheet上都会讲该器件在各种状态、环境条件中的功耗情况，比如下图是Quectel BC20芯片手册中给出的不同状态下的功耗情况：

        当然，有的元器件的datasheet是不会给出其功耗情况，这时候就需要我们自己去测试其各种状态的功耗情况；

        过程4、识别产品应用场景：一个产品一般都会有不同应用场景，比如开机时有人使用时的场景、开机时没人使用的场景、关机时场景等等；为了省电，不同场景就会有不同的功耗控制方案，如在使用手机时屏幕是亮的，长时间没人使用了就把屏幕熄灭；对于功耗要求严格的产品，就需要精细化的识别各种不同的场景，针对每一种场景有针对性的设计对应的功耗控制方案。

        过程5、不同产品其功耗控制方案其思路基本都是一样的，大体上可以归结为以下几类：

        针对每一种场景的应用情况，可以列一个Excel，设计该场景下各个器件的工作状态或使用方案，并评估其平均电流、最大电流、最小电流，最后可统计出该场景下的功耗情况。评估最大电流、最小电流是用于设计电源设计的参考，我们知道电源有两个关键参数：最大输出电流、效率曲线，可根据电流平均值、最大值、最小值预估该电源的转换效率，从而更精准的预估出总功耗。

        过程6、在每一个场景下的平均功耗评估出来后，再根据每个场景用时情况即可得到一个整个过程能量消耗情况，从而可以推算出我们对电池容量的需求。然而我们现实情况一般都是：电池已经选定了，让我们评估其续航。这时候就需要反其道而行之：确定一个关键场景，其余场景均为非关键场景，预估非关键场景的工作时间，从而可推算出非关键场景的能量消耗；进而估算出关键场景的时间，即产品续航时间。

        这里面有一个需要考虑的是：电池利用率问题。根据经验，南孚5号干电池利用率一般是85%，14500锂电池利用率一般是75%，这也跟电池厂家、电池使用的截止电压有关，所以需要根据每个项目实际情况进行实测。

        功耗评估的目的是评估系统可行性，为系统设计提供参考，比如：如果我们的平均电流在200mA，设计时候就不要太在乎那些只有1mA左右的器件；如果我们的平均电流在10mA，我们就不用太担心某个电路会多出50uA电流消耗。降功耗的难点在于：我们目标是将电流降到1mA以内，但目前电流是1.01mA，出现这种情况一般都是已经经过很多努力的结果，想再降一点点却会损失不少东西，左右为难！

        功耗评估的产物最好是一个Excel表：XXX产品功耗评估表，内容包含：

        1、场景分类、配置分类、各个器件在各种状态下的功耗；

        2、各个场景下每个器件的功耗计算方法；

        3、总功耗/平均电流计算方法；

        4、续航时间计算方法；

        5、各个模块最大电流、最小电流；

        6、各部分电源效率分布图；

        在完善这个表以后，如果后续需求发生变化，直接在该表中可以直观评估出续航情况。

功耗设计

        在评估功耗可以满足预期需求后就要开始设计，评估过程其实已经作了设计的工作，只是一般都不会出文档、代码、原理图。所以这里只指出我们经常需要注意的地方：

        1、未使用管脚的处置；

        2、为测试/验证预留足够的空间，提高系统可测试性；如：在MCU电源统一入口增加0Ω电阻，方便测试MCU上的电流情况；

        3、注意温度的影响，这可能会考虑发热器件的位置布局；

功耗验证

        验证工作一方面验证整体功耗是否满足续航要求，另一方面验证各个模块功耗与设计时是否一致，所以验证工作主要是测试整体功耗及各个模块功耗。如果整体功耗不达标，就看哪些模块是用电大户，尽量从用电大户里面扣；如果某个模块功耗的与其Datasheet相差很远，就需要看手册，详细了解其低功耗控制方法，实在搞不定就要召唤他们的FAE。

        功耗验证的结论一定要留足够的余量，因为每个芯片、器件在不同环境下的功耗变化可能会很大。所以，如果有条件尽量在不同环境中做充足的测试验证。

        在测试完后，根据测试数据修改XXX产品功耗评估表，将该表变为：XXX产品功耗分布表，如果该表中功耗可满足续航要求，功耗设计到此结束。