嵌入式产品功耗调优那些事 - 功耗测量方法

发布于 2021-07-21 23:44:23    浏览:79

前言

  • 不清楚当前产品的整机功耗,就不清楚怎么调优
  • 获取产品的整机及各个模块的功耗数据,需要测量
  • 正确的功耗测量方法,快速的了解整机的功耗分布,为功耗调优提供方向。

功耗测量

  • 功耗拆解,是功耗调优的前提,需要动手实际操作,这个阶段做的深入,不仅对整个系统功耗摸底清楚,对接下来的功耗管理,提供了很大的帮助。
  • 以下为功耗调优时经常用到的几个方法:

【整机功耗测量】

  • 如果产品是电池供电,需要使用【假电池】供电,即使用程控电源代替(模拟)电池供电。
  • 高精度的程控电源,可以直接显示整机功耗电压电流数据,精度较差的程控电源,需要配合万用表(高精度,电流档),串接的方式测量整机电流功耗。
  • 一般锂电池标称电压为:3.7~3.8V,所以可以把程控电源调到3.8V,模拟电池给系统供电。
  • 可以测量待机模式、关机模式、运输模式、运行模式、无代码时裸板上电等场景下的整机功耗。
  • 各个工作模式或场景下,一般都要设置一个目标功耗值,建立一个数据表格,不断的对比,用于功耗摸底、功耗调优各个阶段目标达成的评估。

【软件拆解测量】

  • 需要编写各个模块的电源开关相关的接口代码,通过开关各路电源,对比整机功耗变化,估算各路电源的供电电流。
  • 测量时,一般让系统进入待机模式,保证电源的平稳,每一路电源单独开启,对比整机电流的变化,这个变化值可以认为是这路电源的电流值。
  • 有些器件,无法断开电源,但可以使用软件的方式关闭或进入shutdown模式,这样通过软件的方式开关器件,对比整机电流的变化值,估算这些器件的工作电流。

硬件拆解法

  • 电路板在设计之初,为了方便功耗的验证与测量,可以设置一些0R(零欧姆)电阻,串接在各个电源回路里。
  • 拆解方法:如电源回路中串接了一个0R电阻,可以把这个电阻用电烙铁焊下来,把万用表调到电流档串接进去(0欧电阻的焊盘两端),这样就可以测量这个电源路径的电流。
  • 拆解测量完电流,需要把焊掉的电阻焊回去,保证电路板正常的供电。

压差计算电流法

  • 电路板在设计之初,在电源路径上,串接了一个100mR(100毫欧姆)的电阻,或类似阻值比较小的电阻,若此路供电电流较大,可以采用更小阻值的【功率电阻】。
  • 把万用表调到【电压档】,万用表的两个表笔,分别放置在这个小阻值电阻的两端(焊盘或测试点),也就是测量这个小阻值电阻两端的压差。
  • 根据欧姆定律,可以计算出此路电源的电流,计算公式:
电阻两端的压差 /  电阻的阻值  =  此路电源的电流

灌电流法

  • 如果电路板的电源路径上没有串接任何电阻,只有并联的去耦电容或滤波电容,并且软件无法开关拆解,万用表也无法串接测量,如何获取这条电源路径的电流呢?

1、 硬件拆解+灌电流法,通过硬件拆解,断开上游的电源入口,使用外部独立电源供电,注意外部电源与电路板需要【共地】(外部的GND与板子上的GND连通),此时,外部独立电源的供电电流,可认为就是此电路板电源路径的供电电流。

2、 不拆解硬件+灌电流法,可以在此电路板的电源路径上,找到一个供电电源的入口点,如一个电容的焊盘【正极】,外部电源【正极】连接这个电路板电源入口点,外部电源与电路板共地GND(外部电源的负极接电路板的负极)。注意外部电源的供电电压要【略高于】电路板此路供电电源的电压。如电路板供电电压采用1.8V供电,则外部电源供电可以采用(1.8V + 0.2V) 2V 供电。此时,外部独立电源的供电电流,可认为【近似等于】此路径的电流。

灌电流的原理

  • 由于外部供电的电压高,供电电流会使用外部的电源供电,电路板上内部的供电会被截止。
  • 这个灌电流的方法,只适用于【部分场景】,并且准确性并不高,可能会造成倒灌电流到主电源,产生额外的漏电。
  • 灌电压需要略高于原供电电压,功耗一般与供电电压相关,如电源电压增加0.2V,可能也会造成额外的漏电产生。
  • 过高的芯片灌电压,可能会对器件造成影响,如内核电压1.2V,如果供较高的灌电压,可能会损坏硬件。

正确使用灌电流法

  • 让系统处于待机状态,此时的整机电流波动较小,变化平稳,可以通过对比整机功耗的变化与灌电流的大小,找到差异点。
  • 当硬件器件无法串接万用表测量功耗,无法拆解时,可以尝试使用【灌电流法】初步了解估算电源支路的电流。
  • 当软件版本一致,功耗不一致,进行功耗对比验证与定位,确定功耗异常点的最好方法,就是【灌电流法】。
  • 一般情况下,同一电源路径,同一灌电流,相同的灌电流的点,灌进去的电流,基本一致才对,如果灌电流相差很多,基本确认是这个电源路径漏电引起的。
  • 部分电源设计,如loadswitch,后端电压高于前端供电,会产生电流倒灌现象。管电流时,可能需要硬件断开前端的loadswitch。
  • 大部分DCDC、LDO,前端供电电压高于后端的输出电压,后端采用【灌电流法】供电,只要灌电压不太高,一般不会产生电流倒灌,灌电流可以比较准确的反映出此路的供电电流。
  • 通过对比整机功耗的电流变化与灌电流的变化,统一电压域计算,估算出某路电压是否有额外漏电。

小结

  • 掌握合适的功耗测量方法,实践出真知。
  • 确认各个支路电源或模块电源的电流,需要软硬件配合拆解,需要多次测量,认真对比,获取准确的数据。
  • 电路板前期设计时,尽可能提供功耗相关的测量接口,方便功耗拆解与调优。
  • 记录各个模块与电源支路的功耗数据,为优化功耗提供方向
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