ESP 常用的低功耗配置选项解析

此篇博客介绍 ESP 常用的低功耗配置选项。

1.常用功耗优化配置选项

1.1.动态调频

CPU 工作的频率越高，功耗消耗也越大。通过 DFS（dynamic frequency scaling，动态调频）可以让系统自动切换工作频率，达到功耗和性能间的平衡。开启该功能需要使能如图 1-1 的这两项，这样系统会在工作的时候切换到最大频率，在系统空闲时切换到最低频率，最大频率默认为主频，如 ESP32-C3 为 160 MHz, 最低频率为外部主晶振的频率，一般为 40 MHz。最大和最小的频率可以通过调用esp_pm_configure 进行设置。

在这里插入图片描述

图 1-1 动态调频配置项

配置项名称	PM_ENABLE
配置项路径	(Top) -> Component config -> Power Management -> Support for power management
配置项名称	PM_DFS_INIT_AUTO
配置项路径	(Top) -> Component config -> Power Management -> Support for power management -> Enable dynamic frequency scaling (DFS) at startup

配置项名称

PM_ENABLE

配置项路径

(Top) -> Component config -> Power Management -> Support for power management

配置项名称

PM_DFS_INIT_AUTO

配置项路径

(Top) -> Component config -> Power Management -> Support for power management

-> Enable dynamic frequency scaling (DFS) at startup

注意：如果是带有 Wi-Fi 应用的自动调频，最小频率不能小于 40 MHz。

1.2.自动 light sleep

在开启动态调频后如果需要进一步降低功耗，如图 1-2 所示，需要开启自动 light sleep。 Modem sleep 模式加上自动 light sleep 也就是我们常说的 power save 模式。

在这里插入图片描述

图 1-2 自动 light sleep 配置项

配置项名称	FREERTOS_HZ
配置项路径	(Top) -> Component config -> FreeRTOS -> Tick rate (Hz)
配置项名称	FREERTOS_USE_TICKLESS_IDLE
配置项路径	(Top) -> Component config -> FreeRTOS -> Tickless idle support

这里涉及两个配置项，A 项为 FreeRTOS 的 Tick 频率，默认为 100，即每个 Tick 需要 1000 / 100 = 10 ms。B 项是自动进入 light sleep 状态需要的最小空闲 Tick 数，默认为 3，即

当系统检测到空闲时间大于 3 个 Tick 时就会自动进入 light sleep。如上图所示，当空闲时间大于 3 * 10 = 30 ms 时系统将自动进入 light sleep。通过增加 A 项，可以让系统更敏感地检测到空闲时间并进入睡眠。如将 tick rate 配置为 1000，即当 3 ms 内没有任务工作就进入睡眠，从而达到更低的功耗。

注意：

1.自动进入 light sleep 必须在使能 2.1 的配置项后才能进行配置。

2.在开启了自动调频和自动睡眠后，一些外设的通信会受到影响，具体可以参照编程指南。

1.3.隔离 GPIO

系统休眠过程中的 GPIO 漏电会产生电流损耗，增大系统功耗。esp-idf 中 light sleep 休眠时通过 GPIO 管脚悬空（禁止管脚内部上下拉电阻）及隔离（断开管脚输入输出）来消除 GPIO 漏电流，该功能对应的 menuconfig 配置项如下。

注意：该配置项必须在使能 2.2 的自动睡眠后才能启用。

在这里插入图片描述

图 1-3 隔离 GPIO 配置项

配置项名称	PM_SLP_DISABLE_GPIO
配置项路径	(Top) -> Component config -> Power Management -> Disable all GPIO when chip at sleep
打开该选项，系统休眠过程中所有 GPIO 管脚将被禁用，消除了 GPIO 漏电对休眠功耗的影响，但也导致了休眠过程中 GPIO 无法进行信号输入和输出，然而在一些应用中，应用层希望在系统休眠过程中能够正常使用 GPIO 功能（输入/输出/内部上下拉），因此 IDF 中提供了一组 API 用于管理休眠过程中的 GPIO 状态，相关 API 参考如下：

配置项名称

PM_SLP_DISABLE_GPIO

配置项路径

(Top) -> Component config -> Power Management -> Disable all GPIO when chip at sleep

打开该选项，系统休眠过程中所有 GPIO 管脚将被禁用，消除了 GPIO 漏电对休眠功耗的影响，但也导致了休眠过程中 GPIO 无法进行信号输入和输出，然而在一些应用中，应用层希望在系统休眠过程中能够正常使用 GPIO 功能（输入/输出/内部上下拉），因此 IDF 中提供了一组 API 用于管理休眠过程中的 GPIO 状态，相关 API 参考如下：

休眠过程 GPIO 管理 API：

设置休眠状态下的 GPIO 输入输出状态 gpio_sleep_set_direction
设置休眠状态下的 GPIO 上下拉状态 gpio_sleep_set_pull_mode
使能自动 GPIO 状态切换 gpio_sleep_sel_en
禁止自动 GPIO 状态切换 gpio_sleep_sel_dis

如果想在睡眠时保持 GPIO 管脚的状态，比如控制灯输出，控制开关闭合，可以使用 gpio_hold_en 和 gpio_hold_dis 两个 API，在进入睡眠前对需要保持电平的 GPIO 进行 hold，醒来后进行 hold_dis。

1.4. flash 下电

ESP32 通过外接 flash 和 PSRAM 来增大系统存储器资源。flash 具有掉电后数据不丢失特性，PSRAM 掉电后数据无法保持，当系统中没有使用到 PSRAM 时，可以使能 flash 下电功能来降低芯片休眠电流，相关 menuconfig 选项如下：

在这里插入图片描述

图 1-4 Flash 掉电配置项

配置项名称	ESP_SYSTEM_PD_FLASH (release/v4.3) ESP_SLEEP_POWER_DOWN_FLASH (4.4以后)
配置项路径	(Top) -> Component config -> ESP System Settings -> PD flash at light sleep when there is no SPIRAM (release/v4.3) (Top) -> Component config -> Hardware Settings -> Sleep Config -> Power down flash in light sleep when there is no SPIRAM (4.4以后)

配置项名称

ESP_SYSTEM_PD_FLASH (release/v4.3)

ESP_SLEEP_POWER_DOWN_FLASH (4.4以后)

配置项路径

(Top) -> Component config -> ESP System Settings -> PD flash at light sleep when there is no SPIRAM (release/v4.3)
(Top) -> Component config -> Hardware Settings -> Sleep Config -> Power down flash in light sleep when there is no SPIRAM (4.4以后)

注意：现实情况中 flash 断电所需的时间很难预测，即使可以预知 flash 彻底断电所需的时间，有时也不能通过设置足够长的睡眠时间来确保 flash 断电的安全（比如，突发的异步唤醒源会使得实际的睡眠时间不可控），因此可以对配置项进行以下调整：

在这里插入图片描述

图 1-5 Flash 掉电配置优化

这种方式比断电 flash 更好，相比之下增加了十几 μA 的底电流消耗，但同时兼顾了安全性和功耗。

2. Wi-Fi / 蓝牙低功耗优化配置

乐鑫芯片是无线 MCU，因此大部分时候的低功耗功能都需要和 Wi-Fi / 蓝牙功能一起使用。这里对 Wi-Fi / 蓝牙相关的一些低功耗配置和参数进行解释。

2.1.蓝牙低功耗优化项

目前蓝牙端可以优化配置比较少，可以使能 BLE modem sleep

在这里插入图片描述

图 2-1 蓝牙低功耗配置

配置项名称	BT_CTRL_MODEM_SLEEP
配置项路径	(Top) -> Component config -> Bluetooth -> Bluetooth -> Bluetooth controller -> MODEM SLEEP Options

如果想在保活的时候不是进入 modem sleep 而是 light sleep，参考2.2的做法即可。

蓝牙需要使用 32 K 外接晶振。

2.2. Wi-Fi 低功耗优化项

Wi-Fi 优化涉及的配置项较多，比较通用的有以下几点：

2.2.1.无线数字电路掉电

在使能自动 light sleep 后，可以开启这个选项，让无线数字电路模块在关闭物理层的时候也相应的掉电。
在这里插入图片描述

图 2-2 无线数字电路掉电配置

配置项名称	ESP_PHY_MAC_BB_PD
配置项路径	(Top) -> Component config -> PHY -> Power down MAC and baseband of Wi-Fi and Bluetooth when PHY is disabled

2.2.2.更改最小等待时间和最大保活时间

当 ESP32 作为 STA 和 AP进行通信时，接收完一次数据后需要等待一段时间再关闭 RF，这个时间称为 Minimum active time，默认值为50 ms, 在保证每次数据吞吐量的基础上，可以适当减少这个等待时间来降低功耗。

而当 ESP32 处于power save 模式下时，需要周期性的给 AP 发送一个 keep alive 包来告诉 AP 自己还保持着连接。Maximum keep alive time就是发送这个 keep alive 包的时间周期，默认为 10 s，可以通过增大该参数来减少发包从而降低功耗。

在这里插入图片描述

图 2-3 最小等待时间和最大保活时间配置

配置项名称	ESP_WIFI_SLP_DEFAULT_MIN_ACTIVE_TIME
配置项路径	(Top) -> Component config -> Wi-Fi -> WiFi SLP IRAM speed optimization -> Minimum active time
配置项名称	ESP_WIFI_SLP_DEFAULT_MAX_ACTIVE_TIME
配置项路径	(Top) -> Component config -> Wi-Fi -> WiFi SLP IRAM speed optimization -> Maximum keep alive time

推荐配置：Minimum active time = 15~20，Maximum keep alive time = 60。

2.2.3.开启断连电源管理

使能该配置项后，发生断连时依旧可以保持 Modem sleep 状态。

在这里插入图片描述

图 2-4 开启断连电源管理

配置项名称	ESP_WIFI_STA_DISCONNECTED_PM_ENABLE
配置项路径	(Top) -> Component config -> Wi-Fi -> Power Management for station at disconnected

2.2.4.开启 Beacon lost 优化（仅release/v4.4 及以上）

配置项名称	ESP_WIFI_SLP_BEACON_LOST_OPT
配置项路径	(Top) -> Component config -> Wi-Fi -> Wifi sleep optimize when beacon lost

3.补充内容

3.1. DTIM 和 listen interval 的区别

当芯片作为 STA 和路由器建立连接的时候，会被告知路由器的 DTIM，即每隔多少时间路由器会发送一个 beacon, STA 需要在这个时间起来接收 beacon，查看是否有需要自己处理的信息。而 listen interval 则是 STA 告诉路由，我需要隔多少时间起来接受 beacon，即前者是根据路由端来定的，后者是可以自己配置到芯片里的。时间间隔为DTIM 或者 listen interval 的数字 * 100 ms，如果当 DTIM = 10，即每次唤醒的时间间隔为 10 * 100 ms = 1 s。