前言

隨著物聯網的興起，各式各樣的物聯網設備涌向市場，這些設備有一個共同的特點就是電池供電，電池的容量是有限的，如何在電池容量有限的情況下延長設備的使用時間呢？萬惡始于源頭，最好的辦法就是在設計中降低設備的功耗，設計又進一步分為軟體設計、硬體設計，

硬體設計

根據低功耗的產品需求，一般會有兩種方式，一種是平時處于斷電狀態，需要使用的時候上電即可，作業一會繼續斷電，另一種是一直處于待機狀態，使用的時候，“喚醒”產品，作業一會繼續“睡覺”，

低功耗產品一般是通過鋰電池或者干電池供電的，前者主要用于易于攜帶或者移動的產品，比如，智能手表，共享單車等等，干電池應用的比較多的場合是智能門鎖等，一般有3-4節干電池，用完電之后用戶可以更換，

選取低功耗器件

這點自不必說，誰不選誰傻x，不選坑自己~

開關機電路設計

對于平時斷電的設備，既然平時主要是斷電狀態，需要時開啟，開關機設計必然少不了，接下來介紹一種實用的開關機電路，（關于此電路的詳細決議，可參看：一種簡單可靠的開關機電路設計）

AD采集電路設計

電池供電，電量的提示就很重要，如果說智能鎖電池沒電了，用戶竟然一無所知，那不得罵娘，好好的一扇門，非要砸個窟窿才能進~

如果想要比較精確的采集電池電量，那一定是首選電量計，可是啊~設計者一切不得為了資本服務，為了節約成本，大家都懂得，有的廠家還是會采用簡單的AD采集，根據電池放電曲線大概估算電量，

說到這里，來看一看，電池的放電曲線是怎樣的呢？

電池供應商一般會提供給客戶某款電池放電曲線，下面是某廠家提供的2016紐扣電池的放電曲線，其他電池其實也類似，可以明顯的看到，新電池的“富裕電壓”其實降得是非常快的，然后會進入一段非常長的“平緩期”，電池電量放的差不多的時候，又開始進入“快速衰老”期，可以看到，電量跟電壓并沒有什么嚴格的比例關系，

既然沒有嚴格的比例關系，那如何根據電壓來“計算（估算）”電量呢，負責的廠家會真槍實彈的做放電測驗（誰知道廠家提供的是不是真實的呢），大量測驗后，大概得出一個演算法來模擬電壓與電量的“近似關系”，根據電壓大概估算電量，或者根據使用時間及次數，每次使用的功耗等，計算得出剩余電量，

所有這種都是“不太準確的”，但是只要能在徹底MCU“死掉”之前提醒用戶換電池或者充電即可，我提醒了，你沒換，那關我什么事~

言歸正傳，AD采集也需要做一些處理，如下圖，這個電路分情況，在斷電的設備情況下，這個電路是沒問題的，但可能不是最好的，要注意，不能直接接在電池端，要接在受控的電源端，如果直接接在電池端，這兩個電阻會一直耗電，

再來看一個AD采集的電路設計，如下圖，相比于上面的設計，這個設計有什么好處呢？這個設計電壓是可控制的，那只需要在采集的時候開啟就可以了，采集完MCU控制關閉，相比于上面的電路，雖然多了幾個器件，但在不需要的時候可以隨時關閉，能夠有效降低功耗，這種設計在不斷電的設備中是要明顯優于第一種設計的，因為電池是有一段“平穩期”的，1秒采集一次和1天采集一次可能都沒有區別，所以降低采集頻率，不需要的時候，把電源斷開即可，很實用，

模塊電源加控制

這點類似于上面的AD采集帶電源控制，稍微改一下即可，物聯網設計中可能會用到各種各樣的模組，資訊上報不頻繁的情況下，可能1天幾次或者幾天1次，這時候可以考慮，是不是可以不用的時候把電源斷掉，當然要考慮上電重新連接所花費的功耗與休眠狀態下所花費的功耗，二者取其優，功耗差別不大的情況下，我覺得休眠是好的選擇，畢竟頻繁開關機會對模組有影響，

避免IO漏電

“漏電”是什么意思呢？漏水大家一定熟悉吧，容器開了個口，水往低處流嘛，一樣的道理，MCU與模組或者與其他芯片之間免不了要進行通訊，拿最基本的串口來說，下面表格的連接方式通訊肯定沒問題....

但是考慮一下，如果一個MCU不需要作業，下電以降低功耗之后會發生什么事情？

主MCU的RX一般會保持高電平以等待串口下降沿的到來，直連之后，這個高電平便會“漏電”到你下電的MCU，引起功耗的增大，設計中要避免這種IO直連的設計，

以上這種情況，可以采用信號隔離的方式處理，方法也很多種，簡單介紹一種：

不需要作業時候，隔離芯片是沒有電的，需要使用的時候，供電即可，

硬體設計小結

關于硬體的設計是方方面面的，大家伙一定要注意硬體設計上的低功耗考慮，成熟的電路也越累越多，小飛哥列舉的不過皮毛，歡迎大家一起交流更多好的方案與考慮，

軟體設計

低功耗從硬體上能夠解決一部分，但單純依靠硬體肯定是不行的，需要軟體的密切配合，才能達到最好的效果，

軟體設計通常需要考慮一下幾種情況

GPIO引腳的模式配置

對于GPIO的模式，就拿STM32來說，模式多達8種，4種輸入，4種輸出，那應該配置為什么模式，系統功耗才會比較低呢？

僅討論產品休眠模式下，GPIO的配置，正常作業按照需要該怎么配置就怎么配置就可以了~

對于沒有用到的GPIO，需要配置為模擬輸入狀態

從cubemx中，可以看到有個選項，意思是，為了省電，不用的GPIO可以配置為模擬輸入模式，

前面說了模式那么多，為什么選擇模擬輸入模式呢？

模擬輸入模式：信號從左邊編號1的埠進入，從右邊編號2的一端直接進入ADC模塊，這里我們看到所有的上拉、下拉電阻和施密特觸發器，均處于斷開狀態，因此“輸入資料暫存器”將不能反映埠上的電平狀態，也就是說，模擬輸入配置下，CPU不能在“輸入資料暫存器”上讀到有效的資料，

用到的IO同樣需要關注，先來看一個由于IO配置不正確導致的功耗問題，

休眠模式一般能通過專門設計的喚醒引腳或者中斷觸發喚醒，例如，通過串口中斷喚醒MCU，進而通訊獲取資料等，由于串口協議起始位是低電平，所有MCU的RX要保持高電平才能更好地檢測到資料，但如果僅僅是設定了輸入模式，恐怕還不夠，對比一下下面的配置結果：

僅僅配置了輸入模式，硬體設計無上拉，軟體未配置上拉，結果電流測出來有29uA，而正確的電流應該在0.7uA以下

再來看配置為上拉輸入之后，電流降為0.63uA，恢復正常，

對于比較簡單的MCU來說，GPIO模式可能比較少，并沒有模擬輸入的配置，設定下拉配置也沒有，只有上拉，那也不用慌，對于此類MCU，可以配置為輸入上拉或者輸出低模式，輸入上拉肯定沒問題的，但是配置為輸出低的時候要注意了，看下圖：

此時若配置為了輸出低，會產生什么結果？WC，竟然多了VCC/R6的消耗，很明顯，此時配置輸出低是不合適的，若外部無連接，配置輸出低是沒問題的，

關于GPIO的配置還有很多，要參考具體的外設進行適當的配置，

關掉不需要的外設

在休眠狀態下，除了保留必要的功能外，應該關掉所有不需要的外設的時鐘源，避免造成額外的功耗消耗，

降低時鐘頻率

時鐘頻率越高，必然會帶來更高的能量消耗，能量守恒嘛，干活快，消耗的能量肯定大，可以降到夠MCU“活著”就行了，拿出大學考試，“60分及格，多1分浪費”的精神，

在作業中還要學會頻率的切換，比如有大資料需要運算，運算的時間要盡可能短以便及時回應，此時，就必須把頻率切換到越高越好，但是計算完，比如是要顯示出來計算結果，那刷屏速率，能滿足即可，過高的頻率反而會增加功耗，

下面是STM32F103的一個功耗表，可以看到，不同頻率下的功耗差異還是很大的，

模式切換

此圖與下面描述無關

MCU是設定了好幾個作業模式的，在合適的模式下做合適的事情，是低功耗設計的一大特點，

來看看STM32的幾個模式及功耗：

可以看出，頻率相同下，模式不同，功耗差異巨大，同一模式下，頻率不同，功耗也有很大不同，

以上介紹的僅僅是比較容易注意到的點，低功耗設計涉及的方面還是很多的，小飛哥僅僅列舉了一些，歡迎一起討論更多關于低功耗產品的設計方案，

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