power-budget-calculator

Name: power-budget-calculator
Author: wedsamuel1230

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代码仓库

关于 power-budget-calculator

面向嵌入式项目的功耗与电池续航估算技能，可按组件、工作模式和占空比计算平均电流与运行时间。附带组件电流数据库、电池参考和低功耗设计建议。

主要功能

01按组件及工作模式估算电流
02支持占空比计算
03估算电池运行时间
04提供组件电流数据库
05列出硬件与软件低功耗建议

适用场景

01估算电池供电设备的续航
02比较传感器或通信模块的功耗
03规划睡眠与唤醒周期

安装

复制下面的命令，在终端中运行。

$npx skills add https://github.com/wedsamuel1230/embedded-engineering-skills --skill power-budget-calculator

安装后在 Claude Code 中输入/power-budget-calculator确认已加载。

包含的文件

除 SKILL.md 外，安装时一起下载的参考资料和脚本。

assets/

example-project.json

references/

component-database.md

scripts/

calculate_power.py

详细介绍

功耗预算计算器

估算嵌入式项目的功耗和电池寿命。

资源

scripts/calculate_power.py - 带元件数据库、占空比支持、电池寿命估算的 Python 计算器
references/component-database.md - 来自数据手册的全面电流消耗参考
assets/example-project.json - 示例项目配置

快速开始

以交互方式运行计算器：

uv run --no-project scripts/calculate_power.py --interactive

或计算单个元件的功耗：

uv run --no-project scripts/calculate_power.py --component ESP32 --mode deep_sleep --duty 95

加载项目配置：

uv run --no-project scripts/calculate_power.py --json assets/example-project.json --output report.md

列出数据库中的所有元件：

uv run --no-project scripts/calculate_power.py --list

适用场景

"我的电池能用多久？"
"我需要多大容量的电池？"
"我的项目消耗多少电流？"
规划电池供电项目
针对低功耗进行优化

工作流

第 1 步：收集元件清单

向用户询问：

微控制器（型号和工作模式）
所有传感器和模块
显示器
执行器（电机、LED、继电器）
通信（WiFi、蓝牙、LoRa）
运行配置（常开还是占空比）

第 2 步：计算功耗预算

运行 scripts/calculate_power.py --interactive 进行引导式计算，或使用此模板：

# Power Budget: [Project Name]

## Operating Conditions
- Supply Voltage: [V]
- Operating Modes: [Active/Sleep cycles]
- Duty Cycle: [X% active, Y% sleep]

## Component Current Draw

### Always-On Components
| Component | Voltage | Current | Power | Notes |
|-----------|---------|---------|-------|-------|
| [name] | [V] | [mA] | [mW] | [conditions] |
| ... | ... | ... | ... | ... |
| **Subtotal** | - | **[mA]** | **[mW]** | - |

### Active Mode Only
| Component | Voltage | Current | Power | Duty % |
|-----------|---------|---------|-------|--------|
| [name] | [V] | [mA] | [mW] | [%] |
| ... | ... | ... | ... | ... |
| **Subtotal** | - | **[mA]** | **[mW]** | - |

### Peak Current Events
| Event | Current | Duration | Frequency |
|-------|---------|----------|-----------|
| [WiFi TX] | [mA] | [ms] | [per hour] |
| ... | ... | ... | ... |

## Power Calculations

### Average Current

I_avg = (I_active × t_active + I_sleep × t_sleep) / t_total I_avg = ([X]mA × [Y]s + [Z]mA × [W]s) / [T]s I_avg = [result] mA


### Battery Life Estimate

Capacity: [X] mAh Efficiency factor: 0.8 (80% usable) Effective capacity: [X × 0.8] mAh

Runtime = Effective capacity / I_avg Runtime = [X] mAh / [Y] mA Runtime = [Z] hours ([days] days)


## Recommendations
- [Power optimization suggestions]
- [Battery type recommendation]
- [Sleep mode configuration]

电流消耗数据库

微控制器

Arduino（ATmega328P @ 5V）

模式	电流	备注
活动（16MHz）	15-20mA	无外设
空闲	6mA	CPU 停止，外设开启
掉电	0.1µA	仅 WDT/外部中断
带 USB-Serial	+50mA	CH340/FTDI 芯片常开

ESP32（WROOM-32）

模式	电流	备注
活动（WiFi TX）	160-260mA	传输期间的峰值
活动（WiFi RX）	95-100mA	监听
活动（无 WiFi）	20-68mA	仅 CPU
Modem-sleep	20mA	WiFi 关闭，CPU 开启
Light-sleep	0.8mA	CPU 暂停
Deep-sleep	10µA	仅 RTC
休眠	5µA	RTC 关闭

ESP32-C3

模式	电流	备注
活动（WiFi TX）	320mA 峰值	短暂尖峰
活动（BLE）	50-100mA	广播期间
活动（无射频）	25-35mA	CPU 以 160MHz 运行
Light-sleep	130µA	自动唤醒
Deep-sleep	5µA	RTC 开启

RP2040（Pico）

模式	电流	备注
活动（双核）	25-50mA	取决于时钟
单核	15-25mA	一个核心休眠
休眠	0.18mA	GPIO/RTC 唤醒
睡眠	1.3mA

RP2040（Pico W）

模式	电流	备注
WiFi 活动	50-150mA	传输期间
WiFi 空闲	30-40mA	已连接，监听
WiFi 关闭	25-50mA	射频已禁用

传感器

传感器	活动	睡眠	备注
DHT22	1.5mA	50µA	读取期间
BME280	0.35mA	0.1µA	强制模式
BMP280	0.27mA	0.1µA
MPU6050	3.8mA	5µA	所有轴
DS18B20	1.5mA	1µA	转换期间
HC-SR04	15mA	2mA	无真正睡眠
VL53L0X	19mA	5µA	测距期间
MAX30102	600µA	0.7µA	低功耗模式
BH1750	120µA	1µA	掉电模式
GPS（NEO-6M）	45mA	11mA	备份模式

显示器

显示器	活动	关闭/睡眠	备注
16x2 LCD（背光）	80-120mA	1mA	背光占主导
16x2 LCD（无背光）	1-2mA	1mA
SSD1306 OLED 128x64	8-20mA	10µA	取决于内容
SSD1306 OLED 128x32	5-15mA	10µA
ST7735 TFT	20-40mA	20mA	背光常开
ILI9341 TFT	50-80mA	50mA
E-Paper 2.9"	8mA	0µA	仅在刷新期间

通信模块

模块	发送峰值	接收/空闲	睡眠	备注
ESP8266 (模块)	170mA	70mA	20µA	深度睡眠
NRF24L01	11.3mA	13.5mA	0.9µA
HC-05 蓝牙	40mA	8mA	2mA
RFM95 LoRa	120mA	10mA	0.2µA
SIM800L GSM	2A 峰值	15mA	1mA	需要大电容！

执行器

元件	电流	备注
LED (典型)	10-20mA	通过电阻
RGB LED (每种颜色)	20mA	每通道
WS2812B NeoPixel	60mA 最大	全白
SG90 舵机 (空闲)	10mA	无负载
SG90 舵机 (运动)	200-500mA	带负载
MG996R 舵机	500-900mA	带负载
小型直流电机	100-500mA	随负载变化
5V 继电器模块	70-100mA	线圈通电
蜂鸣器 (无源)	30mA

睡眠模式配置

ESP32 深度睡眠模板

#include <esp_sleep.h>

#define uS_TO_S_FACTOR 1000000ULL
#define TIME_TO_SLEEP 60  // seconds

void setup() {
    // Do measurements here
    
    // Configure wake-up source
    esp_sleep_enable_timer_wakeup(TIME_TO_SLEEP * uS_TO_S_FACTOR);
    
    // Enter deep sleep
    esp_deep_sleep_start();
}

void loop() {
    // Never reached
}

Arduino 掉电模板

#include <avr/sleep.h>
#include <avr/wdt.h>

void enterSleep() {
    set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);
    sleep_enable();
    sleep_mode();  // Sleep here
    sleep_disable();
}

// Wake on watchdog or external interrupt
ISR(WDT_vect) {
    // Wake up
}

功耗优化清单

硬件

移除电源 LED (节省 5-10mA)
电池供电时移除 USB-Serial 芯片
使用低静态电流的 LDO (<10µA)
添加 MOSFET 为大电流外设供电门控
在未使用的引脚上使用下拉电阻
不读取时禁用 ADC

软件

在读取之间使用睡眠模式
尽可能降低时钟速度
批量处理数据并减少传输频率
不需要时关闭 WiFi/BLE
在深度睡眠中禁用欠压检测器
使用中断代替轮询

设计模式

电源门控：

       VCC
        │
    [P-MOSFET] ← GPIO (LOW = ON)
        │
    [Sensor/Module]
        │
       GND

占空比循环公式：

I_average = (I_active × T_active + I_sleep × T_sleep) / T_total

Example: Sensor reads every 5 minutes
- Active: 50mA for 2 seconds
- Sleep: 10µA for 298 seconds

I_avg = (50mA × 2s + 0.01mA × 298s) / 300s
I_avg = (100 + 2.98) / 300
I_avg = 0.34mA

With 2000mAh battery:
Runtime = 2000mAh × 0.8 / 0.34mA = 4706 hours = 196 days

电池参考

常见电池类型

类型	电压	典型容量	备注
CR2032	3V	220mAh	仅适用于极低电流
2x AA 碱性	3V	2500mAh	适合低功耗
3x AA 碱性	4.5V	2500mAh	直接用于 5V 系统
4x AA 碱性	6V	2500mAh	配合 LDO 降至 5V
18650 锂离子	3.7V	2000-3500mAh	可充电，常用
LiPo 1S	3.7V	多种	扁平，轻便
9V 碱性	9V	500mAh	能量密度差

放电电压曲线

18650/LiPo 放电曲线：

Capacity%   Voltage
─────────────────────
100%        4.2V
80%         3.9V
50%         3.7V
20%         3.5V
0%          3.0V (cut-off!)

Never discharge below 3.0V - damages cell!

碱性 AA 放电：

Capacity%   Voltage (per cell)
─────────────────────────────
100%        1.5V
50%         1.2V
0%          0.9V

Many devices stop working below 1.1V/cell

快速计算器

Enter your values:

Always-on current: ______ mA
Active current: ______ mA
Active time: ______ seconds
Sleep current: ______ mA  
Sleep time: ______ seconds
Battery capacity: ______ mAh

Average current = (Active_mA × Active_s + Sleep_mA × Sleep_s) / Total_s
                = (_____ × _____ + _____ × _____) / _____
                = _____ mA

Runtime = Capacity × 0.8 / Average_current
        = _____ × 0.8 / _____
        = _____ hours
        = _____ days

共享输出契约

使用共享 Arduino 技能契约：陈述假设、所需工具和版本、实现步骤、按证明阶段分类的测试/证据、已知限制以及恢复/安全说明。

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基本信息

作者: wedsamuel1230
仓库: wedsamuel1230/embedded-engineering-skills
分类: 其他
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