功耗是傳感器芯片的關(guān)鍵參數(shù)之一。在移動(dòng)設(shè)備、可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備中，低功耗傳感器芯片可以顯著延長(zhǎng)電池壽命，降低維護(hù)需求，同時(shí)減少熱量產(chǎn)生，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

理解該參數(shù)有助于我們更好地選擇和使用傳感器，從而提高最終產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。本文中科銀河芯將以溫度傳感器為例，對(duì)“功耗”進(jìn)行深入探討。

功耗

功耗的本質(zhì)是功率，它等于器件兩端電壓與器件流過(guò)電流之間的乘積。

01、如何表征功耗

功耗的本質(zhì)是功率，它等于器件兩端電壓與器件流過(guò)電流之間的乘積。但是單純比較功率數(shù)值是無(wú)法公平評(píng)判不同器件之間的能效優(yōu)劣關(guān)系的，因?yàn)槠骷鬟^(guò)電流往往與器件兩端電壓成正相關(guān)關(guān)系。為了更直觀地衡量能效差異，業(yè)界通常采取在相同工作電壓下，比較器件流過(guò)電流的大小。因此電流成為了業(yè)界主流的功耗（間接）表征參數(shù)。

靜態(tài)電流（quiescent current，IQ）參數(shù)源自于電源芯片，指的是器件在空載狀態(tài)下消耗的電流，亦即器件內(nèi)部電路所消耗的電流。該電流越小，意味著在產(chǎn)生相同大小的輸出電流時(shí)，器件所需供電電流（supply current，IDD）越小。

但對(duì)于傳感器這類(lèi)無(wú)需向外輸出功率的器件來(lái)說(shuō)，靜態(tài)電流屬于引申而來(lái)的概念。此時(shí)它與供電電流是等效參數(shù)，都是指的器件內(nèi)部電路所消耗的電流，屬于衡量器件功耗大小的重要電學(xué)參數(shù)。

02、不同狀態(tài)下的功耗

新一代傳感器多為數(shù)字式傳感器，通常由感知元件、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)處理單元、定時(shí)器和通信接口等模塊組成。其中，只有支持連續(xù)轉(zhuǎn)換模式的傳感器才會(huì)配備定時(shí)器模塊，用于周期性喚醒其余模塊，從而啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換。在不同工作狀態(tài)下，各模塊開(kāi)啟情況不同，靜態(tài)電流也會(huì)隨之發(fā)生變化。

市面上絕大多數(shù)傳感器都可以區(qū)分為以下三種工作狀態(tài)：

● 轉(zhuǎn)換狀態(tài)：開(kāi)啟所有模塊，并完成一次對(duì)外界環(huán)境的測(cè)量。

● 空閑狀態(tài)：僅開(kāi)啟定時(shí)器和通信接口模塊。一旦定時(shí)完成，將切換為轉(zhuǎn)換狀態(tài)。

● 關(guān)斷狀態(tài)：關(guān)閉除通信接口以外的所有模塊，以獲得最小的靜態(tài)電流。

由此顯而易見(jiàn)：轉(zhuǎn)換狀態(tài)的靜態(tài)電流 > 空閑狀態(tài)的靜態(tài)電流 > 關(guān)斷狀態(tài)的靜態(tài)電流。

只有支持連續(xù)轉(zhuǎn)換模式的傳感器才會(huì)區(qū)分空閑狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)。在此模式下，傳感器會(huì)每隔固定時(shí)間間隔進(jìn)入一次轉(zhuǎn)換狀態(tài)，而在其余時(shí)間均處于空閑狀態(tài)。如果切換到單次轉(zhuǎn)換模式，傳感器會(huì)進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)。此時(shí)主機(jī)可以借助通信接口來(lái)手動(dòng)喚醒進(jìn)入轉(zhuǎn)換狀態(tài)。一旦轉(zhuǎn)換結(jié)束，傳感器會(huì)自動(dòng)回到關(guān)斷狀態(tài)。下圖以GX75C為例，展示了不同狀態(tài)下的靜態(tài)電流。

對(duì)于不支持連續(xù)測(cè)量模式的傳感器而言，因?yàn)槠鋬?nèi)部沒(méi)有定時(shí)器模塊，所以不存在空閑狀態(tài)。主機(jī)只能借助通信接口來(lái)手動(dòng)喚醒進(jìn)入轉(zhuǎn)換狀態(tài)。一旦轉(zhuǎn)換結(jié)束，傳感器會(huì)自動(dòng)回到關(guān)斷狀態(tài)。下圖以GX1833為例，展示了不同狀態(tài)下的靜態(tài)電流。

03、如何綜合衡量功耗

要想精確描述某個(gè)器件的功耗情況，必須完整列舉所有工作狀態(tài)下的靜態(tài)電流。但是這種表達(dá)形式太過(guò)冗長(zhǎng)，因此業(yè)界開(kāi)始引入平均靜態(tài)電流的概念。該參數(shù)綜合考慮了轉(zhuǎn)換時(shí)間和各狀態(tài)下靜態(tài)電流的影響。借助該參數(shù)，我們可以更加公平地評(píng)估不同器件的功耗水平。

連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下的平均靜態(tài)電流可以通過(guò)如下公式計(jì)算得到：

平均電流 =（轉(zhuǎn)換電流 * 轉(zhuǎn)換時(shí)間 + 空閑電流 * 空閑時(shí)間）/ 測(cè)量周期

代入圖3數(shù)據(jù)可得：=（40μA*26ms+3μA*54ms）/80ms=15μA@12Hz

而對(duì)于單次轉(zhuǎn)換模式而言，每一次轉(zhuǎn)換均由主機(jī)手動(dòng)喚醒，因此并不存在所謂的測(cè)量周期。為此我們一般默認(rèn)主機(jī)每隔1s啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換，平均靜態(tài)電流的計(jì)算公式也對(duì)應(yīng)調(diào)整為：

平均電流 =（轉(zhuǎn)換電流 * 轉(zhuǎn)換時(shí)間 + 關(guān)斷電流 * （1s-轉(zhuǎn)換時(shí)間））/ 1s

代入圖3數(shù)據(jù)可得：=（40μA*26ms+0.5μA*974ms）/1000ms=1.5μA@1Hz

需要注意的是：平均靜態(tài)電流必須附帶測(cè)量頻率。只有電流值沒(méi)有測(cè)量頻率的平均靜態(tài)電流是沒(méi)有任何意義的。即GX75C的典型平均靜態(tài)電流為15μA@12Hz，而非15μA 。

04、如何分辨功耗參數(shù)

因?yàn)闃I(yè)界對(duì)功耗參數(shù)并沒(méi)有統(tǒng)一的命名標(biāo)準(zhǔn)，所以在閱讀數(shù)據(jù)手冊(cè)時(shí)非常容易混淆上述四種靜態(tài)電流。在這里，中科銀河芯為大家總結(jié)了一些幫助分辨的小技巧。

閱讀說(shuō)明書(shū)識(shí)別“功耗”技巧

1、名字帶有“靜態(tài)電流”、“工作電流”或“供電電流”字樣的才是功耗參數(shù)。而名字帶有“輸入”或“輸出”字樣的是I/O引腳輸入輸出特性參數(shù)。

2. 名字或測(cè)試條件帶有“平均”、“每秒轉(zhuǎn)換x次”字樣的一定是平均靜態(tài)電流。

3. 名字或測(cè)試條件帶有“轉(zhuǎn)換”字樣的大概率是轉(zhuǎn)換狀態(tài)的靜態(tài)電流。

4. 轉(zhuǎn)換狀態(tài)的靜態(tài)電流一般在幾十至幾百μA量級(jí)，部分老舊型號(hào)可能在mA量級(jí)。

5. 名字或測(cè)試條件帶有“關(guān)斷”字樣的大概率是關(guān)斷狀態(tài)的靜態(tài)電流。

6. 關(guān)斷狀態(tài)的靜態(tài)電流一般在1μA上下。

7. 如果傳感器僅支持單次測(cè)量，那么名字或測(cè)試條件帶有“待機(jī)”、“空閑”、“關(guān)斷”字樣的大概率是關(guān)斷狀態(tài)的靜態(tài)電流。（因?yàn)椴淮嬖诳臻e狀態(tài)，具體原因在前面已經(jīng)介紹）

8. 如果測(cè)試條件區(qū)分了“總線空閑”和“總線占用”或者“總線未激活”和“總線激活”，那么一定選擇“空閑”或“未激活”那項(xiàng)，因?yàn)橥ㄐ胚^(guò)程會(huì)引入額外的功耗。

擁有了上述的“功耗”辨別技巧，工程師們?cè)陔娐吩O(shè)計(jì)的過(guò)程中就可以?xún)?yōu)選到低功耗、高精度性能更卓越的產(chǎn)品，“功耗”的神秘面紗也就向大家徹底打開(kāi)了。