系统工程 - 记录一次调试USB设备低功耗应用的过程

系统工程 - 记录一次调试USB设备低功耗应用的过程

需求

最近在同客户做机械键盘的产品设计，我们SE系统工程团队为客户设计了一套使用灵动MM32F0160微控制器的机械键盘原型电路板，用于评估原型方案。随着同客户不断沟通，客户进一步细化了需求，这次对低功耗特别提了要求：根据USB规范约定，当电脑处于待机状态时，USB设备从USB线缆上获取的电流不能超过2.5mA，这个2.5mA不仅仅是MCU的工作电流，而是整个USB设备电路板的工作电流！

此前在设计键盘原型方案的时候，并未考虑低功耗的问题，电脑在待机状态下，实测键盘的功耗超过100mA。现在看来，这显然是不符合客户需求和USB规范的，因此，需要从系统层面上考虑，充分降低USB设备的功耗。

最后，经过一顿调试，使得键盘在低功耗的待机模式下耗电约0.8mA，正常工作时约16mA。如图x所示。

功耗测量方法

欲要调试低功耗，先要搭建测量低功耗的环境。本案中，将一根USB线缆的VBUS信号线从中间截断并串联电流表，以检测VBUS上的电流值。如图x所示。

图x 功耗测量方法

图x 万用表连接实物图

分析功耗来源

分析USB电路板的功耗来源：

• MCU自身功耗
• 电路板其它电路功耗，例如板子上87颗WS2812B彩灯和LED指示灯
• 板子漏电或者短路？？？

另外，还有LDO和为适配WS2812B电平转换而引入的NMOS管。按理说LDO功耗极低，NMOS所有的引脚都是高电平的情况下，也不会产生漏电流。

LED功耗

MCU的功耗可通过软件控制，每颗WS2812B中都包含了一个灯控IC，它也是会产生功耗的，但不至于那么高（？？？）。

键盘参考方案中有87颗WS2812B用来产生灯效，如果焊接时间过长，则可能被损毁造成短路，而一旦器件短路，上电后很难查出是哪颗WS2812B短路，给维修造成了极大的麻烦。为解决这个问题，电路设计工程师在设计PCB的时候，曾在键盘的侧边加入了 6个0欧电阻，对应按键的的6排，让供电电流通过0欧电阻流入WS2812B。当出现短路时，可以拆除对应排的0欧电阻，以快速排查短路的WS2812B。

• 拆除六颗0欧电阻前，功耗达到了惊人的115mA。
• 逐步拆除六颗0欧电阻后，功耗降至18mA。

WS2812B的待机功耗确实不小。

除了WS2812B，电源指示灯的功耗很难被注意到。电源指示灯的串联电阻为2K欧，如果LED的正向压降为2V，在5V供电的情况下，至少有1mA的电流从电源指示灯流过，对于总功耗不能超过2.5mA的USB设备而言，1mA也是一笔巨大的支出，需要节省掉。

其余指示灯LED可由程序控制，在熄灭时不消耗额外的电流。

后续设计键盘上的背光彩灯时，可以再加入一个PMOS管，可由软件控制是否对背光灯电路供电。当进入休眠状态时，关断对背光电路的供电。

MCU功耗

去掉那六颗给WS2812B灯带供电的0欧电阻和电源指示灯后，剩下的十几毫安电流看起来就是MCU自身的功耗了。正常情况下，MCU消耗十几毫安的电流是正常的，但现在需要进一步降低功耗，以满足客户需求。

相当于正常运行的工作模式MCU带有多种低功耗模式，适合用于USB的低功耗方案是STOP模式（休眠CPU内核和部分外设，但可以通过中断原地唤醒），理论功耗能够低于0.5mA。

但 USB 设备有几个情况需要考虑：

• Host能让Device进入低功耗状态
• Host能让Device从低功耗状态恢复到工作状态
• Device能让Host从Suspend恢复到工作状态

如果只需要让PC主机Host唤醒Device恢复到工作状态，PC主机通过USB发送Resume中断信号，从机设备捕获到就能恢复工作状态。但Device需要能唤醒Host从Suspend恢复过来，就要求矩阵按键不能停止扫描，随时检测用户是否按下按键，判断是否退出低功耗模式，此时可选择使用降低主频的方法实现低功耗模式。

在继续调试的过程中发现，保持低速的扫描，键盘反应比较慢，体验不好。客户建议使用中断方式捕获按键输入触发唤醒。此时，将每一个列引脚都配置为推挽输出拉低电平，把每个行引脚配置为上拉输入，6个行引脚意味着6个外部中断，如此，当任意按键被按下时，总会有一个行引脚编变成低电平，触发外部中断，退出低功耗模式，唤醒计算机。Bingo。

总结下来有两种方法：

• 降低主频，适用于在低功耗运行模式时，仍需与外部电路进行有限交互的场景
• STOP模式，适用于不需要与外设进行有交互信但需要保留现场的场景，可通过引脚（指定的外部通信）触发唤醒。

板子漏电

板子漏电仍是一个值得思考的方向：

• 键盘上面的元器件全部都是手焊的，这就意味着会有一些焊锡或者其它脏东西在偷偷地漏电。
• 键盘的 PCB 尺寸还是相当大的，拿起，放下，也可能会造成板材变形，铺铜断裂或短路等情况。
• PCB 被尖锐物品划伤，或者 PCB 设计时就有问题……

当然，经过检查，板子的质量问题是没有的，用洗板水和酒精擦拭后，功耗也几乎没有变化。

所以，幸好没出问题。

软件改善功耗

从上文分析来看，WS2812B灯带和电源指示灯产生比较大电流消耗，当当前的参考方案中，暂行移除，以减少不必要的功耗。然后，重点就转移到软件上对唤醒机制的实现。

调整tinyusb协议栈源码

本案中使用的TinyUSB协议栈提供了一个tud_suspend_cb()回调函数，当电脑待机时候，会向USB设备发送待机信