tech-Geek提供的《微功耗电子系统设计指南》如同给团队打开了一扇新世界的大门,但也带来了前所未有的挑战。之前的电路设计,大家更多关注的是功能实现和信号稳定性,对于功耗,最多考虑一下电池能用多久,从未像现在这样,需要锱铢必较地对待每一个微安(μA)的电流。
“我们的目标,是在休眠状态下,将单个传感器节点的总静态电流控制在50微安以内。”唐七七在团队会议上宣布了这个近乎苛刻的指标。这个数值,是她在研究了资料并结合当前元器件水平后,设定的一个极具挑战性的目标。
李卫国看着手册上的公式,眉头紧锁:“50微安……这意味着我们使用的运算放大器、电压基准源、甚至是三极管的漏电流,都必须精挑细选,而且要工作在极低的电流偏置下。很多常见的通用器件根本达不到这个要求。”
赵向阳也感到了压力:“逻辑控制部分也一样。如果用分离元件搭建,静态漏电流就很难控制。如果……如果能用到cmoS(互补金属氧化物半导体)集成电路就好了,资料上说,cmoS电路的主要功耗产生于状态切换时,静态功耗极低。”
cmoS技术在此刻的国内,还属于极其前沿甚至难以触及的领域。赵向阳的话,更像是一种奢望。
“cmoS暂时不敢想,”唐七七冷静地说,“但我们可以在现有条件下做到极致。第一步,元器件筛选。”
于是,一场轰轰烈烈的“元器件海选”开始了。唐七七利用位面农场的稳定环境,将团队手头以及通过各种渠道能找到的各类晶体管、电阻、电容、集成电路,搭建了无数个简易的测试电路,用高精度的微安表(这是她费了不少劲才从系里借到的宝贝)一个一个地测量它们在特定工作点下的静态功耗。
这个过程枯燥而繁琐,如同大海捞针。往往测试上百个元件,才能找到一两个在低电流下性能还勉强满足要求的。王嫂子送来的鸡蛋糕成了团队熬夜时的唯一慰藉。
“这个3dG6的β值在1微安偏置下居然还能有60!”赵向阳偶尔会发出一声惊喜的呼喊,随即又埋首于密密麻麻的数据记录中。
“这个运放不行,静态电流直接超500微安了,淘汰。”李卫国则更多的是冷静地宣判一个个元件的“死刑”。
唐七七不仅是测试者,更是策略的制定者。她根据指南上的原理,提出了许多“抠门”到极致的设计思路:
“我们可以采用间歇供电的方式,给传感器供电只在采集数据的瞬间,采集完立刻断电。”
“电压基准源不能用独立的器件了,太耗电。我们试试用分压电阻加低功耗运放搭一个?”
“时钟电路不能用传统的555振荡器了,功耗太高。看看能不能用晶体振荡器结合分频电路,找到功耗更低的方案?”
这些思路极大地启发了李卫国和赵向阳。李卫国开始重新设计模拟前端,摒弃了所有不必要的功能,力求简约到极致。赵向阳则开始研究如何用最少的逻辑门,实现所需的休眠-唤醒-判断-输出的完整流程,并且尽可能让大部分电路在大部分时间里都处于“断电”或“高阻”状态。
苏晓梅也没闲着,她负责的数据通信部分同样面临功耗挑战。她提出,采用极低占空比的“猝发”式通信,即节点大部分时间“沉默”,只在特定时刻或者数据超过阈值时,才短暂地启动发射模块,将数据打包发送出去。这需要对通信协议进行精心设计,确保数据的完整性和碰撞避免。
团队里的氛围,从最初面对难题的凝重,逐渐转变为一种攻克技术堡垒的专注和……某种奇怪的“攀比”。大家见面打招呼的方式变成了:
“你的运放静态电流降到多少了?”
“15微安!”
“厉害!我这边电压基准还在30微安挣扎……”
“赵向阳,你的控制核心休眠电流测出来没?”
“别催!正在优化最后一个与非门的偏置电路……”
这种对每一个微瓦功耗的执着追求,仿佛一种特殊的艺术,让每个人都沉浸其中。唐七七看着团队成员们眼中闪烁的、属于技术极客的光芒,心中充满了欣慰。她知道,尽管前路漫漫,但他们正在正确的道路上,一步步地向着那个看似不可能的目标逼近。