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(cè)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(cè)裝置；累積型能量測(cè)量；電流鏡

中圖分類號(hào)：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2017）10-0208-02

1.引言

在許多嵌入式設(shè)計(jì)中，低能耗是一個(gè)很重要的指標(biāo)，特別是電池供電場(chǎng)合。一方面我們希望電池一次工作盡量長(zhǎng)的時(shí)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(wú)人測(cè)量時(shí)安全性更好一些，而且對(duì)某些受溫升影響的測(cè)量來(lái)講也是福音。那么，我們?nèi)绾螠y(cè)量和預(yù)測(cè)一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的功耗呢？顯然這是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。

2.系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）式表明：測(cè)量電流是關(guān)鍵。不過(guò)，嵌入式系統(tǒng)中，電流i往往變化多端。其中一個(gè)主要特點(diǎn)是變化范圍大。如一個(gè)移動(dòng)通信模塊的電流待機(jī)時(shí)可低至幾mA，而撥號(hào)搜索時(shí)可達(dá)2000mA。一個(gè)WIFI模塊睡眠時(shí)可以只有幾u(yù)A，而打開(kāi)無(wú)線發(fā)射電路外發(fā)信號(hào)時(shí)可達(dá)幾百mA。我們的測(cè)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(cè)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(gè)同一型號(hào)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(cè)量方法可選呢？

3.能耗測(cè)量方法

3.1分檔次單獨(dú)測(cè)量

如果被測(cè)裝置在每一個(gè)等級(jí)的工作電流能夠穩(wěn)定一段時(shí)間，該方法就比較適合。例如，一個(gè)PIC單片機(jī)睡眠時(shí)電流可以穩(wěn)定在幾u(yù)a，等它睡眠后用數(shù)字萬(wàn)用表的uA檔來(lái)測(cè)量就可以。喚醒后電流如果能穩(wěn)定在幾mA，換成mA檔來(lái)測(cè)量便可，或是考慮自動(dòng)換檔的電流表。但是，不睡眠時(shí)，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(dòng)，如20mA-30mA，此時(shí)該方法就顯得力不從心。實(shí)驗(yàn)證明：許多場(chǎng)合睡眠電流好測(cè)量，喚醒后的工作電流難以精確測(cè)得。

3.2高速采樣存儲(chǔ)

對(duì)于變動(dòng)較快的工作電流，可以考慮此法。先對(duì)電流盡量高速地采樣，然后再A/D轉(zhuǎn)換和，或存儲(chǔ)。不過(guò)這樣的測(cè)量裝置一般造價(jià)較高，比如用高帶寬存儲(chǔ)示波器。存儲(chǔ)時(shí)需要大容量的RAM。例如，一個(gè)采樣速率為10MHz的裝置，如果每采樣點(diǎn)用8位存儲(chǔ)，存儲(chǔ)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(lái)誤差。一般來(lái)說(shuō)，越是高速，就越是挑戰(zhàn)測(cè)量精度。另外，因?yàn)椴蓸铀俾什豢赡軣o(wú)限高，對(duì)于變化速率高于采樣速率的電流，一些變動(dòng)點(diǎn)也會(huì)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(cè)量，只要C1、C2和C3取值不是太小，測(cè)量速率并不要求很高，而且只測(cè)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(jí)。不過(guò)，雖然每個(gè)電容放電時(shí)間短，但總會(huì)使被測(cè)裝置的供電電壓有一定的波動(dòng)，必須保證這一波動(dòng)在允許范圍內(nèi)。假定一個(gè)單片機(jī)可以在2.7V-3.3V之間正常工作，那么該波動(dòng)不要使電壓低于2.7V。顯然，該方法是在電源電壓波動(dòng)的情況下測(cè)得的能耗，與準(zhǔn)確穩(wěn)定于某一固定值時(shí)的所得肯定有所區(qū)別。不過(guò)，只要波動(dòng)不太大，測(cè)量結(jié)果還是有價(jià)值的。為了減小波動(dòng)，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(lái)也會(huì)隨時(shí)間而降低，即使恒壓測(cè)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(cè)量方法配合才能完成整個(gè)測(cè)量過(guò)程。比如，有的接電容充放電電路，有的再直接通過(guò)電阻轉(zhuǎn)換為電壓測(cè)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(cè)電路中，將被測(cè)電流轉(zhuǎn)換為電壓測(cè)量；二是被測(cè)電流拷貝法，即電流鏡。

從原理上講，方法一總會(huì)對(duì)被測(cè)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(cè)裝置供電電壓降低就越多。一般要根據(jù)預(yù)測(cè)的電流檔次來(lái)選擇Rs。例如，若i在1vA-10pA范圍，選Rs為100Ω，U/s將不超過(guò)1mV，一般對(duì)被測(cè)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(chǎng)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(huì)造成誤差，嚴(yán)重的甚至?xí)绊懙奖粶y(cè)設(shè)備的正常工作。有一個(gè)觀念：似乎只要測(cè)量，就要取樣，只要取樣，對(duì)被測(cè)系統(tǒng)就要造成一定影響，有的甚至影響巨大，例如量子測(cè)量會(huì)導(dǎo)致被測(cè)量子波包塌縮。不過(guò)，如果采用圖2所示的電流鏡取樣，這一觀念會(huì)受到較大沖擊。電流鏡由幾個(gè)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(cè)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(cè)量電路提供的電流icopy=iwork，即電流拷貝。這樣，理論上“測(cè)量”將不影響“被測(cè)”。不過(guò)，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(chǎng)合來(lái)說(shuō)，電流鏡也顯得力不從心。

4.結(jié)束語(yǔ)

不管用哪種取樣方法，不管取樣后采用什么后續(xù)測(cè)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(cè)量，必須對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行一定的校正。不同的電池自放電過(guò)程往往有所不同，并且常與使用環(huán)境有關(guān)。對(duì)于低功耗嵌入式裝置，尤其是長(zhǎng)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(cè)量不容易，但如果只是比對(duì)哪個(gè)方法哪個(gè)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(cè)裝置供電，一段時(shí)間（如半年）后，再測(cè)量這兩組電池還剩多少電量，一比較便知哪個(gè)裝置更省電，雖然也會(huì)有些誤差?？梢圆捎脤Ｓ眯酒瑏?lái)測(cè)量電池剩余電量，也可采用一些簡(jiǎn)單方法，如對(duì)一般堿性電池可采用簡(jiǎn)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(huì)降下多少mV。