智能锁修了两次，板子飞线调了三周，这两件糟心事儿，让我们来重新认识低功耗设计

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先跟大伙聊两件我亲身经历的事，都是关于低功耗的。

第一件是我家的智能门锁，刚买回来那段时间耗电飞快，基本上两周就得换一次电池。我一开始还以为是电池不行，让厂家给换了，结果还是一样，体验感非常不好。后来又联系厂家，它们把整个门锁全换掉，问题才解决。现在几个月才换一次电池，体验感瞬间就变好了。电池容量没变，但用的时间确实长了，我琢磨着厂家肯定是在软硬件上对低功耗做了专门的优化。

第二件是客户的一个紧急需求，要我们的嵌入式板卡，在现有成品基础上改，功耗必须做到30mW以内，时间紧到只能飞线和临时调软件。问题是这块板子本身压根就没为低功耗设计过，客户还要带音频、网口、HDMI和USB。我们折腾了好几周，改了不少电路和软件，才勉强搞定。

这两件事让我深刻体会到，在嵌入式物联网的多数场景里，低功耗的重要性。而要把功耗真正降下来，没有一定经验积累，做起来确实很花时间。今天咱们就结合我踩过的坑和同行的一些实战心得，跟大家聊聊低功耗设计这件事。

要降功耗，先得摸清电都耗在哪了

对我们硬件来说，系统功耗主要受三个因素钳制：稳压器、CPU工作频率，以及芯片自身的低功耗处理能力。

先说说稳压器和频率。降低CPU主频能直接降功耗，这大家都懂，但代价是性能。所以很多芯片支持运行模式下的动态管理，也就是在需要干活时，通过配置内部电源变换器进入低功耗运行模式，同时把系统时钟降下来，再顺手关掉不用的外设时钟。这样就能在保持内核和外设基本运行的前提下，把功耗压到最低。

不过说实话，对于多数项目和芯片来说，很多时候我们更关注的是休眠模式。像我开头举例的智能门锁，大部分时间都处于休眠状态，只有你开门或者触发传感器的时候才醒来工作一会儿，这才是省电的关键。

再往根儿上说，功耗的本质是热力学，电能灌进系统，最终都得变成热散出去。你优化功耗，本质上就是尽可能减少耗电和发热。我们所有软硬件优化，归根结底都是在干同一件事，让尽可能多的晶体管，在尽可能长的时间里，处于彻底关断的状态。

具体操作上，首先要保证最小系统能正常工作，不必要的外设，尽可能把供电给关断。比如我们用不到WiFi功能，那么WiFi芯片的供电就可以直接通过CPU的IO口来关断。调试的时候要仔细翻芯片手册，看芯片在低功耗状态下各个电源域的最低要求是多少，如果在最小系统下都不满足，那后面就不用白费力气了。

芯片休眠模式怎么选，IO口配置是个大坑

芯片为了省电，定义了一系列休眠模式，比如Sleep、Standby和Shutdown，功耗逐级降低。说白了就是芯片内部通过关闭外设和时钟，甚至切断部分电源域来达到省电的目的。

Sleep模式下，内核停了，但外设还在跑，适合需要快速响应的场景。进入和退出都很灵活，可以用WFI指令让任意外设中断唤醒。Standby模式则关掉更多时钟和稳压器，功耗更低，但唤醒时间更长。Shutdown模式几乎把芯片内部电源全掐了，漏电最小，但唤醒就相当于一次冷启动，啥都得重新初始化。

然而，理论很丰满，现实很骨感。根据经验，功耗问题最隐蔽、最折磨人的地方，往往不是纠结选哪个休眠模式，而是软件在进出休眠时对IO口的配置。

芯片进入深度休眠后，I/O口和外设默认会保持进入前的状态。如果某个引脚在运行时被拉高或者拉低，或者干脆处于悬空态，休眠时没把它改回来，它就可能通过内部弱上拉或外部电路形成一条隐蔽的漏电路径。

我之前在调试一个低功耗产品的时候就吃过这个亏。硬件改了好几处，功耗突然暴增，反复折腾了好几天，最后发现是一个RS485芯片跟CPU的一个IO口连在一起了，休眠时那个IO处于不确定状态，把那个引脚断开就好了，功耗一下子就正常了。

最憋屈的是啥？功耗出问题，第一个挨板子的永远是硬件。上来就是"你是不是DC/DC效率选低了？""LDO静态功耗是不是太大了？"连上下拉电阻的阻值都要被拿出来仔细扣。等软件那边把IO配置改好了，问题解决了，也没人提硬件的事儿了。

外设供电也要可控

很多传感器和模块，你发了Sleep命令，它自己还有几uA的静态电流。最好的方法是用个MOS管来控，不用时直接关断VCC，漏电彻底归零。

有些外设模块一上电工作，电流就从uA级蹦到mA级。比如你板子上挂的4G模组、Wi-Fi模块或者音频功放，不用的时候必须把它彻底关掉，不能光发个Sleep命令就完事。对于必须保持连接的场景，就得通过调整它的心跳间隔和工作窗口，在功耗和响应及时性之间找个平衡点。这个得根据实际应用场景慢慢试，如果业务上允许，不用的时候直接断电是最省事的。

所有这些能力，看着简单，但最终靠的是调试闭环。你得用合适的工具去测量、去验证。

还有啊，很多硬件兄弟习惯拿个万用表或者普通示波器就打天下，但对于电流只有几个mA甚至uA级的低功耗设备来说，这些工具的精度远远不够。你得选用高精度的电流分析仪或者专用的功耗测试工具，才能看到真实的电流波形和瞬态变化。有了准确的测量数据，你才能知道哪一步优化有效、哪一步是白费劲，把精力花在刀刃上。

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来源：硬件笔记本

低噪声LDO选型，除了TI和ADI，现在又多了一个选择

大伙在选型LDO时，只要碰上噪声敏感或对PSRR有硬性要求的场景，比如给ADC/DAC供电、给PLL/VCO做电源，或者单纯想把手头耳放的底噪再压一压，绕不开两颗国外经典芯片：TI的LP5907和nisshinbo的RP114。这两颗料确实不错，但这几年芯片供应的情况大家都有体会，交期和成本一直是悬在项目头上的不确定性。于是乎，一颗国产替代新选择，共模半导体的GM1501。研究完它的数据手册，结论就一句话：P2P兼容，性能不降级，反而在几个关键指标上把国外芯片还高出一截。下面我把对比数据摆出来，让大家看一看这颗国产芯有哪些优势。01先看整体指标在看指标之前，咱们先来看一下芯片封装，都是SOT-23-5封装（也有DFN封装），其中LP5907和GM1501引脚P2P兼容，可直接替代，RP114引脚定义不完全一致，原理图需要更改部分引脚定义后再进行替换。下面是更加直观的原理图+PCB封装+3D视图接着直接看数据手册的对比。咱们把GM1501和LP5907、RP114的核心参数逐项捋了一遍，看起来比较直观。另外，ADI的ADP150/ADP151在小电流精密模拟、射频时钟项目里出镜率也极高，同样可以用GM1501来替代。数据手册上的参数是一回事，实际用到板子上是另一回事。有音频领域的工程师朋友拿一块耳放板做了个替换测试，把板子上的RP114N331D直接换成GM1501AUJZ-3.3-R7。同样的板子、同样的测试条件，只换了LDO，整机指标就有了明显提升。底噪明显更低，声音背景更干净。下面是LDO更换前后音频性能详细对比数据。这个反馈说明一个问题：音频设备的电源瓶颈，有时候就差一颗性能到位的LDO。关键是替换成本很低，物料成本还比原来那颗更有优势。02再看具体参数数据是冰冷的，但设计体验是真实的。咱一条条拆开看GM1501凭什么能打。1、噪声：3µVRMS，和输出电压无关这是GM1501最亮眼的特性之一。手册明确写了，输出噪声3µVRMS，而且与5V及以下的固定输出电压值无关。这意味着你无论是输出1.2V给FPGA内核，还是输出5.0V给模拟前端，噪声性能都不打折。LP5907的噪声指标在典型应用下约6.5µVRMS，RP114约7µVRMS，GM1501直接砍半甚至更多。做音频或者精密测量的人都清楚，这意味着电源引入的底噪被大幅压低。原本和底噪混在一起的小信号现在能清晰分辨出来了，动态范围得到了更充分的利用。2、PSRR：10kHz下92dB，电源纹波可以更低对开关电源后面的LDO来说，PSRR就是硬指标。GM1501在10kHz处PSRR达到92dB，100kHz处仍有68dB，1MHz下还能保持52dB。这个频段覆盖范围恰好卡住了主流Buck电路的基波和低次谐波频段，同时还覆盖了传导发射测试的下限起点。换句话说，前面DC-DC产生的开关纹波，无论基波落在哪里，其主要谐波成分到了GM1501这里都会被大幅衰减。这里给大伙补充一句：PSRR再高，也不能指望单靠一颗LDO就把所有噪声问题都解决掉。前级滤波设计仍然是必要的，而且大负载下高频段的抑制能力会有一定衰减，设计时该留的余量还是要留。GM1501的优势在于，它在最关键的频段提供了足够高的抑制比，让你在设计电源链路时有了更充裕的余量。3、精度：全温区±2.5%，-55℃~+125℃很多LDO在25℃下精度漂亮，一到高温或低温就飘了。GM1501标的是整个工作结温范围（-55℃~+125℃）内的精度±2.5%，而且25℃下典型精度是±1%。这意味着它在车载、工业等大温差环境下的输出电压稳定性是有保障的，设计不用刻意留太多余量。4、低压差：200mA时250mV输入输出压差在200mA负载下典型值250mV。这数据在300mA级的LDO里属于主流偏上水平。至于为什么会有压差这个问题，感兴趣的朋友可以参看我之前写的文章。对于电池供电设备，更低压差意味着更长的电池寿命。需要留意的是，手册里压差测试只适用于1.8V以上输出电压，用在低压场景时注意核对Dropout曲线（图7和图8）。03几个加分项除了以上具体参数，这芯片还有几个设计上的加分项，对咱画板子、调电路非常友好。第一，P2P兼容，无缝升级重点！GM1501的封装、引脚定义和LP5907完全兼容。这意味着什么？原理图基本不用改，PCB Layout不用动，直接在现有板子上换料就能体验性能提升。老板再也不用担心项目延期。第二，内置软启动，限流+热保护内置软启动限制浪涌电流，避免上电时后级负载电流冲击。限流阈值典型值350mA，热关断165℃，常规保护功能该有的都有。而且手册还给了详细的热计算和电容选型公式，直接套就行。第三，车规AEC-Q100认证选项DFN封装版本（型号带“W”，如GM1501WACPZ-3.3-R7）通过AEC-Q100认证，工作温度-55℃~+125℃。汽车项目可以直接上，一料通吃工业和汽车。04小结GM1501作为国产料，在供货和价格上的优势是绕不开的。交期基本稳定在4到6周，紧急需求还可以谈现货，相比海外品牌动辄十几周的排期，这本身就是实实在在的安心感。感兴趣的话可以直接去立创商城看看，小批量试产很方便，搜型号就能找到。量大的话直接联系代理商。最后说一句，国产好芯片值得被更多人看见。觉得有用的话欢迎转发给身边正在选型的朋友，让更多人从选型和成本压力里解放出来，把精力留给更有价值的设计。选型有疑问或者想交流实测经验的，评论区见，一起把国产器件的亮点和坑都摸清楚。来源：硬件笔记本