嵌入式裝置的能耗測量問題

錢光明

摘要：分析了低功耗嵌入式裝置中的電流特點(diǎn)，綜述了常用的能量測量方法，提出了一種多電容輪流放電法。

關(guān)鍵詞：嵌入式；被測裝置；累積型能量測量；電流鏡

中圖分類號：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2017）10-0208-02

1.引言

在許多嵌入式設(shè)計中，低能耗是一個很重要的指標(biāo)，特別是電池供電場合。一方面我們希望電池一次工作盡量長的時間；另一方面，盡量低的功耗也有利于設(shè)備散熱和溫升的限制，這不但在無人測量時安全性更好一些，而且對某些受溫升影響的測量來講也是福音。那么，我們?nèi)绾螠y量和預(yù)測一個嵌入式系統(tǒng)的功耗呢？顯然這是一個非常重要的問題。

2.系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）式表明：測量電流是關(guān)鍵。不過，嵌入式系統(tǒng)中，電流i往往變化多端。其中一個主要特點(diǎn)是變化范圍大。如一個移動通信模塊的電流待機(jī)時可低至幾mA，而撥號搜索時可達(dá)2000mA。一個WIFI模塊睡眠時可以只有幾u(yù)A，而打開無線發(fā)射電路外發(fā)信號時可達(dá)幾百mA。我們的測量方法能否快速適應(yīng)這樣的大范圍變化，實(shí)現(xiàn)精確測量呢？另外，電流的變化還受干擾和元器件特性的分散性影響。比如，兩個同一型號的CPU，在同一工作頻率下的工作電流可能不完全一樣。還有，不同的程序指令牽涉到的硬件常常有所差別，電流和能量需求就不一樣，即使是完成同樣功能的不同程序。那么，到底有哪些測量方法可選呢？

3.能耗測量方法

3.1分檔次單獨(dú)測量

如果被測裝置在每一個等級的工作電流能夠穩(wěn)定一段時間，該方法就比較適合。例如，一個PIC單片機(jī)睡眠時電流可以穩(wěn)定在幾u(yù)a，等它睡眠后用數(shù)字萬用表的uA檔來測量就可以。喚醒后電流如果能穩(wěn)定在幾mA，換成mA檔來測量便可，或是考慮自動換檔的電流表。但是，不睡眠時，很多嵌入式裝置的工作電流并不是穩(wěn)定在某一數(shù)值，而是有較大范圍的變動，如20mA-30mA，此時該方法就顯得力不從心。實(shí)驗(yàn)證明：許多場合睡眠電流好測量，喚醒后的工作電流難以精確測得。

3.2高速采樣存儲

對于變動較快的工作電流，可以考慮此法。先對電流盡量高速地采樣，然后再A/D轉(zhuǎn)換和，或存儲。不過這樣的測量裝置一般造價較高，比如用高帶寬存儲示波器。存儲時需要大容量的RAM。例如，一個采樣速率為10MHz的裝置，如果每采樣點(diǎn)用8位存儲，存儲一秒鐘的數(shù)據(jù)就需10MB的RAM。并且，在采樣及MD轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)都可能帶來誤差。一般來說，越是高速，就越是挑戰(zhàn)測量精度。另外，因?yàn)椴蓸铀俾什豢赡軣o限高，對于變化速率高于采樣速率的電流，一些變動點(diǎn)也會采集不到，所以仍然存在方法誤差。

該方法屬于累積型能量測量，只要C1、C2和C3取值不是太小，測量速率并不要求很高，而且只測量電容剩余電壓。因?yàn)榇笕萘康碾娙萃ǔ：茈y保證高精度，所以一般這里只取nF級。不過，雖然每個電容放電時間短，但總會使被測裝置的供電電壓有一定的波動，必須保證這一波動在允許范圍內(nèi)。假定一個單片機(jī)可以在2.7V-3.3V之間正常工作，那么該波動不要使電壓低于2.7V。顯然，該方法是在電源電壓波動的情況下測得的能耗，與準(zhǔn)確穩(wěn)定于某一固定值時的所得肯定有所區(qū)別。不過，只要波動不太大，測量結(jié)果還是有價值的。為了減小波動，可考慮采用更多數(shù)量的電容輪流放電。實(shí)際上，電池電壓本來也會隨時間而降低，即使恒壓測量也并不完全反映實(shí)際情況。

3.4電流鏡技術(shù)

電流鏡本質(zhì)上只是一種電流取樣方法。它要與其他測量方法配合才能完成整個測量過程。比如，有的接電容充放電電路，有的再直接通過電阻轉(zhuǎn)換為電壓測量。常用的電流取樣方法一般有兩種：一是將取樣電阻直接串在被測電路中，將被測電流轉(zhuǎn)換為電壓測量；二是被測電流拷貝法，即電流鏡。

從原理上講，方法一總會對被測系統(tǒng)造成一定的影響。設(shè)取樣電阻為Rs，其上壓降為U/s=iRs。Rs越大，造成的電壓降Us就越大，被測裝置供電電壓降低就越多。一般要根據(jù)預(yù)測的電流檔次來選擇Rs。例如，若i在1vA-10pA范圍，選Rs為100Ω，U/s將不超過1mV，一般對被測設(shè)備影響較小，而如果i在1uA～10mA變化還選Rs為100Q，Us將達(dá)1V。1V的壓降在許多嵌入式場合造成的影響決不能忽視。雖然可考慮換檔，但如果換檔的速度跟不上電流變化的速度，不但會造成誤差，嚴(yán)重的甚至?xí)绊懙奖粶y設(shè)備的正常工作。有一個觀念：似乎只要測量，就要取樣，只要取樣，對被測系統(tǒng)就要造成一定影響，有的甚至影響巨大，例如量子測量會導(dǎo)致被測量子波包塌縮。不過，如果采用圖2所示的電流鏡取樣，這一觀念會受到較大沖擊。電流鏡由幾個性能非常相似的三極管組成（往往制造在同一基片上），如圖中的T1和T2。T1負(fù)責(zé)給被測裝置供電，設(shè)電流為iwork。由于極相似的發(fā)射結(jié)特性，T2往測量電路提供的電流icopy=iwork，即電流拷貝。這樣，理論上“測量”將不影響“被測”。不過，這一誘人的特征一般只在小電流范圍被認(rèn)可，如10mA以下。較大范圍的應(yīng)用場合來說，電流鏡也顯得力不從心。

4.結(jié)束語

不管用哪種取樣方法，不管取樣后采用什么后續(xù)測量電路，都有一定的應(yīng)用限制。另外，一般電池都有一定的自放電效應(yīng)，單純采用上面的方法不好測量，必須對測量結(jié)果進(jìn)行一定的校正。不同的電池自放電過程往往有所不同，并且常與使用環(huán)境有關(guān)。對于低功耗嵌入式裝置，尤其是長期工作的裝置，這一點(diǎn)是必須考慮的。

雖然耗電量的精確測量不容易，但如果只是比對哪個方法哪個裝置更省電，往往要好辦一些。例如，用同一批次的兩組電池給兩組被測裝置供電，一段時間（如半年）后，再測量這兩組電池還剩多少電量，一比較便知哪個裝置更省電，雖然也會有些誤差。可以采用專用芯片來測量電池剩余電量，也可采用一些簡單方法，如對一般堿性電池可采用簡單的放電法：接上一定大小的負(fù)載，如300mA負(fù)載放電，看看電壓會降下多少mV。