嵌入式系統的電路設計注意事項

已發表: 2020-10-21

嵌入式系統設計為僅用於特定目的，並經過優化以實現不同的參數，如功率、性能、成本和時序。嵌入式系統的設計充滿挑戰，因為嵌入式設計的設計過程包括各種優化活動，需要針對不同條件製定不同的規範要求。

手機、筆記本電腦等消費電子設備的電路設計需要以能夠承受撞擊、跌落或浸入水中而不會失去其操作能力的方式構建。

開發嵌入式系統的電路需要經過不同的步驟，設計人員應在開始設計過程之前確認這些要求。忽略任何一個步驟都可能導致嵌入式系統的錯誤開發，這可能導致設備故障，最終設計階段後可能會花費巨額費用。 TronicsZone是一家專門從事該領域的公司，建議採用以下做法以確保成功並降低風險。

在開始進行嵌入式系統的電路設計之前，了解這兩個參數很重要：

了解手頭的功率預算：了解設計嵌入式系統的完整功率預算將幫助您選擇正確的組件/芯片和其他必要因素。
測量整體功耗：在設計嵌入式系統時，可以藉助框圖推導出電路的整體功耗。 框圖的使用將幫助設計人員識別電路的主要組件及其功耗限制。製作專門的應用筆記和數據表以獲取有關器件的信息。

上述因素將有助於嵌入式系統電路設計人員構建高級嵌入式電路設計，以實現更低的功耗和高性能加效率。它還將幫助工程師在嵌入式系統的早期設計階段了解芯片/組件和其他重要參數的正確要求。為了設計一個有效的嵌入式系統，下面列出了一些有用的電路設計注意事項，設計人員可以使用這些注意事項來設計嵌入式系統板。

檢查整個電路的工作電壓

保持整個電路板的低工作電壓很重要，因為功耗與工作電壓有關。電路的電壓等級越高，功耗就越高，因此建議保持電壓等級盡可能低。例如，如果電路中的每個芯片都可以吸收高達 2.7V 的電壓電平，那麼設計人員可以考慮為整個電路設計板的特定電壓電平設置一個小的餘量。

另一方面，如果電路上有合適的節能選項，那麼設計人員可以輕鬆滿足嵌入式系統板需要的多個電源軌的要求，但是，一些額外的設備，如數字翻譯需要芯片和 DC-DC 轉換器來完成電路板設計。

維持高耗能設備的工作電壓

高耗能電子設備的運行應在低壓下進行調節，因為這有助於最大限度地降低功耗。為完成此步驟，將需要一些額外的設備，如 LDO/DC-DC 轉換器和外部電壓轉換器，以與電路中工作在不同電壓電平的不同設備/組件進行接口。在進行此過程之前，請務必檢查電路設計中所需的額外成本、工作量、節能和喚醒時間。

選擇合適的芯片和組件

在起草嵌入式系統的原理圖時，選擇正確的組件和 IC 芯片非常重要，因為它會影響設備的效率和性能。還需要考慮完整的功耗預算，因為功耗將對電路產生更大的影響。因此，設計人員必鬚根據電路設計選擇高/低功耗的IC ，它是否會在高/低電壓水平下工作。在為電路選擇組件和芯片時，還應該承認其他重要因素。

使用各種接口模塊

嵌入式系統的電路設計可能需要使用其他現成的設備，如傳感器、攝像頭、物聯網模塊（藍牙、WiFi等）、RS485/RS232通信接口等。考慮功耗很重要這些接口設備在選擇它們之前。選擇合適的技術可以通過比較幾個參數來理想地測量，例如有功功耗、上電時間、不同設備的理想功耗。

例如，如果設計人員希望使用 RF 傳輸數據，那麼他/她需要考慮 WiFi、BLE、ISM RF、Zigbee 等合適的設備，這將提供出色的用戶體驗並降低功耗。大多數時候，選擇不正確的技術會導致電路設計中的功耗優化困難。因此，考慮這些因素也很重要。

外圍電源門控

在電子電路設計中，可以集成控制電源的機制，使設備在不使用時關閉。從功耗的角度來看，某些嵌入式系統使用通信調製解調器並使其始終處於開啟狀態可能會影響費用。因此，最好在不使用設備時使用 ON/OFF 電源控制來關閉設備的電源。傳感器、ADC、LCD 等其他組件在不使用時也應關閉，因為這將有助於降低電路中較高的功耗。

使用正確的電源

選擇將在嵌入式板上運行的準確輸入電壓非常重要。輸入電壓由電源適配器或電池提供；它需要正確測量。如果電路板上的每個元件都在 3.3V 或 5V 下工作，那麼最好使用 6V 電源輸入，而不是使用 12/24V 電池或 DC 輸入，因為這有助於防止電路中的功率損耗作為電源損耗與電壓差直接相關。

對於嵌入式電路板的電壓轉換，設計人員應使用開關 DC-DC 轉換器而不是線性穩壓器。線性穩壓器在電壓轉換方面非常無效，因為這些器件處於耗散模式，其中功率相當於以熱量形式耗散的電壓和電流的差異。

LED 放置

嵌入式板上 LED 的放置會極大地影響電路設計的功耗。單個 LED 可在電路中消耗高達 1-5mA 的電流。因此，如果需要在板上使用 LED，則設計人員應嘗試減少 LED。如果可能的話，將 LED 完全移除會更好。

否則，設計人員必須嘗試借助高阻值將 LED 的亮度降至最低。工程師可以將 LED 設置為僅閃爍，而不是讓它們全時發光或保持關閉，直到用戶需要與設備通信。這種方法將有助於降低整個電路的功耗。

選擇正確的顯示器

在為嵌入式板選擇顯示器時，工程師有多種選擇，例如紙顯示器、7 段顯示器、OLED、單圖形 LCD、字符 LCD、玻璃 LCD 等。由於顯示器消耗超過 50% 到 60%總功耗，因此設計人員必須仔細選擇顯示器，牢記整個電路提供的總功耗預算。

如果肯定必須使用高功耗率的顯示器，那麼設計人員應該實施其他技術，例如全顯示、背光電源門控、顯示尺寸、顏色方案選擇，例如灰度或暗標模式，這有助於大幅降低功耗。

使用上拉電阻

使用最佳值的上拉電阻有助於降低電路中的功耗。上拉電阻主要用於按鍵、I2C 等。每個上拉電阻最多可以節省幾毫安。因此，使用引體向上可以顯著幫助節能。例如，值為 1K 的上拉電阻將消耗高達 3.3mA 的電流，而值為 10K 的上拉電阻在 3.3V 下工作時將消耗 330uA。

使用微控制器 (MCU)

選擇合適的微控制器對於嵌入式系統的電路設計很重要。根據電路的類型，高/低功耗微控制器的選擇可能會有所不同。如果 MCU 的功耗比嵌入式系統板的功耗大 20%，那麼選擇低功耗微控制器至關重要。

因此，在選擇最低功耗的 MCU 上付出更多努力不會對電路產生太大影響。重要的是要注意有助於降低功耗的其他因素，例如外圍設備的電源門控、將浮點引腳的輸入電平設置為確定的高或低狀態、優化代碼流策略等。

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