ESP 低功耗参数配置

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引言

本文档介绍了在 ESP-IDF 环境下如何配置以优化 ESP 系列芯片的功耗，在保证功能与性能的同时有效降低系统能耗。

系统低功耗优化配置

本节将首先从纯系统角度介绍，不涉及具体工作场景的低功耗模式。

动态调频（DFS）

CPU 工作的频率越高，功耗消耗也越大。通过 DFS，系统可以根据运行状态自动切换 CPU 工作频率，在负载较高时运行于高频、空闲时降低频率，从而在性能与功耗之间取得平衡。

配置步骤如下：

1. 使能 CONFIG_PM_DFS_INIT_AUTO

2. 配置 DFS

备注

在包含 Wi-Fi 应用的自动调频场景中，需注意以下限制：

• 最小频率不低于 40 MHz，否则 CPU 处理能力将显著下降，且低功耗优化效果有限；

• 最大频率不低于 80 MHz，否则 Wi-Fi RF 模块将无法正常工作。

备注

• 在开启了自动调频后，一些外设的通信会因频率变化受到影响，具体说明见 动态调频和外设驱动。

• 若希望在保持低功耗的同时使用 LEDC 和 UART，可参考以下方法：

  • 如果希望在自动睡眠时使用 UART 中断，建议使用 GPIO 唤醒。

  • 如果硬件上搭载了 外部 32 KHz 晶振，建议将外设时钟切换为该晶振。

  • 在通信期间可使用锁机制禁用动态调频，具体操作可参考 低功耗 LEDC 开发指南。

自动 Light sleep

在 自动 Light sleep 模式下，CPU 会在空闲时周期性暂停运行并进入 Light Sleep，Wi-Fi / BLE 的射频及相关基带模块在非通信窗口进入低功耗状态，仅在需要维持连接（如接收 Beacon、广播或进行数据收发）时被唤醒。

配置步骤如下：

1. 配置唤醒源（详见 睡眠模式）

2. 使能 动态调频（DFS）

3. 使能 CONFIG_FREERTOS_USE_TICKLESS_IDLE

4. 设置 light_sleep_enable = true，具体如下：

esp_pm_config_t pm_config = {
.max_freq_mhz = CONFIG_EXAMPLE_MAX_CPU_FREQ_MHZ,
.min_freq_mhz = CONFIG_EXAMPLE_MIN_CPU_FREQ_MHZ,
#if CONFIG_FREERTOS_USE_TICKLESS_IDLE
.light_sleep_enable = true
#endif
};
ESP_ERROR_CHECK(esp_pm_configure(&pm_config));

此外，在启用自动 Light sleep 后，还可通过调整以下配置项，进一步降低休眠阶段的系统功耗。但不同配置在功耗、功能可用性以及系统资源占用之间存在一定取舍，需根据具体应用场景和需求进行选择与组合。

调整间隔时间

可通过调整以下配置项，进一步缩短系统进入 Light sleep 的间隔时间。

• CONFIG_FREERTOS_HZ 为 FreeRTOS 的 Tick 频率，默认为 100，即每个 Tick 为 1000/100 = 10 ms；

• CONFIG_FREERTOS_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP 为系统自动进入 Light sleep 状态所需的最小空闲 Tick 数，默认为 3。

通过提高 CONFIG_FREERTOS_HZ，系统能够以更高的时间分辨率检测空闲状态。例如将其配置为 1000 时，每个 Tick 为 1 ms，在 CONFIG_FREERTOS_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP = 3 的情况下，若系统预测未来约 3 ms 内不会有任务或定时事件需要处理，即可进入 Light sleep，从而进一步降低功耗。

隔离 GPIO

系统在休眠过程中，GPIO 漏电会产生额外电流损耗，增加功耗。

在 ESP-IDF 中，可通过使能 CONFIG_PM_SLP_DISABLE_GPIO 禁止 GPIO 内部上下拉电阻并隔离管脚输入输出，从而消除漏电流，降低休眠功耗。

打开该选项后，系统在进入休眠状态时会禁用所有 GPIO 管脚，以消除 GPIO 漏电对休眠功耗的影响，从而获得更低的休眠电流。但同时，该选项也导致了所有 GPIO 在休眠过程中将无法进行信号输入、输出以及内部上下拉配置。

启用该功能后，所有 GPIO 在休眠期间将无法进行信号输入、输出或内部上下拉配置。因此，对于在系统休眠过程中仍需使用 GPIO（如输入检测、输出控制或保持上下拉状态）的应用，ESP-IDF 提供了一组 API，即使启用了该选项，仍然可以在休眠期间对指定 GPIO 进行单独配置或恢复使用。相关接口如下：

• 设置休眠状态下的 GPIO 输入输出状态:

  esp_err_t gpio_sleep_set_direction(gpio_num_t  gpio_num, gpio_mode_t  mode);
  

• 设置休眠状态下的 GPIO 上下拉状态:

  esp_err_t gpio_sleep_set_pull_mode(gpio_num_t  gpio_num, gpio_pull_mode_t  pull);
  

• 使能自动 GPIO 状态切换:

  esp_err_t gpio_sleep_sel_en(gpio_num_t gpio_num);
  

• 禁止自动 GPIO 状态切换:

  esp_err_t gpio_sleep_sel_dis(gpio_num_t gpio_num);
  

如果希望在休眠期间保持 GPIO 电平状态，例如在需要持续控制指示灯、保持开关闭合状态的应用场景下，可以在进入休眠前对相关 GPIO 调用:

gpio_hold_en(gpio_num_t gpio_num)

在系统唤醒后，再调用:

gpio_hold_dis(gpio_num_t gpio_num)

Flash 断电

ESP32 系列芯片通过外接 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 断电功能来降低芯片休眠电流，但该行为存在一定风险，具体说明及相关配置项请参考 Flash 断电。

CPU 断电

备注

该优化项在 ESP32, ESP32-C2 和 ESP32-S2 芯片上无法使用。

使能 CONFIG_PM_POWER_DOWN_CPU_IN_LIGHT_SLEEP 可以在休眠模式下对 CPU 断电，以进一步降低休眠功耗。例如，对于 ESP32-C3，休眠电流可减少约 100 μA；对于 ESP32-S3，休眠电流可减少约 650 μA。

然而，断电会导致 CPU 的执行上下文（包括专用、通用以及状态寄存器等）丢失，若不处理，唤醒后 CPU 将无法正常执行。因此，系统将在断电前备份上下文信息，并在唤醒后从恢复该信息，这一步骤将消耗系统存储器资源，例如对于 ESP32-C3，将消耗 1.6 KB 的 DRAM 空间，对于 ESP32-S3，将消耗 8.58 KB 的 DRAM 空间。

外围设备下电

备注

该优化项仅适用于 ESP32-C6 及其后续系列芯片，包括 ESP32-C6, ESP32-H2, ESP32-C5（ECO3之后版本）, ESP32-C61。

使能 CONFIG_PM_POWER_DOWN_PERIPHERAL_IN_LIGHT_SLEEP 后，数字外设将在 Light sleep 模式下尝试断电，可以将底电流降低约 100 μA。

需要注意的是，当外设电源域在睡眠期间断电时，IO_MUX 和 GPIO 模块都将处于下电状态，芯片引脚状态不再受这些模块控制。因此，如果希望在休眠期间保持 IO 状态，需要在配置 GPIO 状态前后调用 gpio_hold_dis() 和 gpio_hold_en()，以确保 IO 配置被锁存，防止 IO 在睡眠期间浮空。

此外，该配置项还存在较多限制，例如使能后无法使用 GPIO 和 UART 作为唤醒源，更多限制请参考 配置项说明，请根据实际应用谨慎使用。

Wi-Fi/低功耗蓝牙优化

乐鑫芯片为无线 MCU，因此大部分时候，低功耗功能都需配合 Wi-Fi/蓝牙功能一起使用。PHY 作为 Wi-Fi 与蓝牙通信的物理层，负责射频信号的收发。

下文将针对 Wi-Fi、BLE、PHY 相关的低功耗配置展开说明。

PHY 低功耗优化项

无线数字电路掉电

在使能 自动 Light sleep 后，可通过使能 CONFIG_ESP_PHY_MAC_BB_PD，让无线数字电路模块在关闭物理层时也相应掉电，大约能节省 100 μA 左右的底电流。

降低 TX power

使能 CONFIG_ESP_PHY_REDUCE_TX_POWER 后，当检测到系统电压不稳定或电源电压不足，ESP32 内置的电源管理模块自动触发复位时（欠压复位），将减小 PHY TX power，使代码能继续运行。

蓝牙低功耗优化项

BLE Modem sleep

使能 CONFIG_BTDM_CTRL_MODEM_SLEEP 后，在 BLE 保活阶段，即 BLE 保持连接但短时间内没有数据传输的状态时，系统会自动将 RF 模块进入 Modem Sleep 模式；一旦有数据需要发送或接收，射频模块会自动唤醒，从而在空闲期间实现低功耗且保证连接可靠性。

如果希望在保活时进入 Light sleep 而不是 Modem sleep，可参考 自动 Light sleep 的做法。

可以通过配置 BLE 使用的低功耗时钟源来优化功耗，在搭载了 外部 32 KHz 晶振 的情况下，推荐使用 32 kHz 晶振作为休眠时钟，以获得最低的 Light Sleep 底电流。

在 4.4 及之后的 IDF 版本里，蓝牙已支持用主晶振作为休眠时钟，不使用 32 kHz 晶振的代价是 Light sleep 时底电流会上升。参考电流:

• ESP32-C3: 2.3 mA

• ESP32-S3: 3.3 mA

Nimble – BLE only

在 BLE only 的场景下，启用 CONFIG_BT_NIMBLE_ENABLED 可以减少内存占用和协议栈处理开销，使 CPU 更易进入低功耗模式，从而降低整体功耗。

但需要注意，启用该配置项后，只能使用 NimBLE 协议栈 进行开发，无法使用 Bluedroid 协议栈。

广播/连接模式设置

BLE 的功耗可以通过调整广播、扫描和连接模式下的关键配置参数来优化。

在 广播模式 下，可以通过调整以下参数优化功耗：

• 广播间隔：增大广播间隔可以延长设备空闲时间，减少唤醒次数，从而降低平均功耗，但响应延迟将增加。其配置方法如下：

  • 基于 Bluedroid 协议栈：配置 esp_ble_adv_params_t 结构体时，增大 .adv_int_min 或 .adv_int_max，以增大广播间隔；

  • 基于 Nimble 协议栈：配置 ble_gap_adv_params 结构体时，增大 .itvl_min 或 .itvl_max，以增大广播间隔。

• 广播包大小：广播包越小，每次的发射时间和电流消耗越小。广播数据包内含有的信息可参考 广播数据包结构。

  • 基于 Bluedroid 协议栈：定义 esp_ble_adv_data_t 结构体时，只保留必要字段，例如设备名称，去掉可选字段，例如制造商数据和服务数据；

  • 基于 Nimble 协议栈：定义 ble_hs_adv_fields 结构体时，只保留必要字段，去掉可选字段。

• 发射功率：降低发射功率，减少每次发送广播包时的功耗，但覆盖范围会缩小。

  • 调用 esp_ble_tx_power_set(ESP_BLE_PWR_TYPE_ADV, level) 调整发射功率，对于不同芯片，level 的取值可能有所不同，具体请参考对应芯片的 esp_bt.h 文件。

在 连接模式 下，可以通过调整以下参数优化功耗：

• 连接间隔：增大连接间隔可以延长设备空闲时间，减少唤醒次数，从而降低平均功耗，但响应延迟将增加。其配置方法如下：

  • 基于 Bluedroid 协议栈：配置 esp_ble_conn_update_params_t 结构体时，增大 .interval，以增大连接间隔；

  • 基于 Nimble 协议栈：配置 ble_gap_upd_params 结构体时，增大 .itvl_min 或 .itvl_max，以增大连接间隔。

• 从机延迟：增大允许从机跳过的连接事件数量，可以延长休眠时间，进一步降低功耗。

  • 基于 Bluedroid 协议栈：配置 esp_ble_conn_update_params_t 结构体时，增大 .latency，以增大从机延迟；

  • 基于 Nimble 协议栈：配置 ble_gap_upd_params 结构体时，增大 .latency，以增大从机延迟。

• 连接监督超时：当 BLE 连接在设置的连接监督超时时间内未收到对方响应时，将被判定为断开。合理设置超时时间可以避免因断线重连导致的额外唤醒和能量消耗。

  • 基于 Bluedroid 协议栈：配置 esp_ble_conn_update_params_t 结构体时，增大 .timeout，以增大连接监督超时时间；

  • 基于 Nimble 协议栈：配置 ble_gap_upd_params 结构体时，增大 .supervision_timeout，以增大连接监督超时时间。

• 发射功率：降低发射功率，减少每次发送广播包时的功耗，但覆盖范围会缩小。

  • 调用 esp_ble_tx_power_set(ESP_BLE_PWR_TYPE_ADV, level) 调整发射功率，对于不同芯片，level 的取值可能有所不同，具体请参考对应芯片的 esp_bt.h 文件。

在 扫描模式 下，可以通过调整以下参数优化功耗：

• 扫描窗口与扫描间隔：减小扫描窗口或扩大扫描间隔，将缩短射频部分的开启时间，以降低平均功耗；当扫描窗口和扫描间隔相等时，为连续扫描，功耗最高，但发现设备最快。

  • 基于 Bluedroid 协议栈：配置 esp_ble_scan_params_t 结构体时，增大 .scan_interval 或减小 .scan_window，以降低平均功耗；

  • 基于 Nimble 协议栈：配置 ble_gap_disc_params 结构体时，增大 .itvl 或减小 .window，以降低平均功耗。

• 主动扫描/被动扫描：被动扫描模式仅接收广播包，功耗最低；主动扫描模式会发送 Scan Request 并接收 Scan Response，信息更完整，但功耗更高。在不需要获取完整广播数据时，优先使用被动扫描。

  • 基于 Bluedroid 协议栈：通过 esp_ble_scan_params_t 结构体中的 .scan_type 配置，设置为 BLE_SCAN_TYPE_PASSIVE 代表被动扫描，设置为 BLE_SCAN_TYPE_ACTIVE 代表主动扫描。

  • 基于 Nimble 协议栈：通过 ble_gap_disc_params 结构体中的 .passive 配置，设置为 1 代表被动扫描，设置为 0 代表主动扫描。

• 扫描持续时间：通过应用层逻辑控制扫描的启停，避免长时间连续扫描，可显著降低平均功耗。

  • 基于 Bluedroid 协议栈：可通过 esp_ble_gap_start_scanning(duration) 设置扫描持续时间，也可将 duration 设置为 0，并在发现目标设备后调用 esp_ble_gap_stop_scanning() 立即停止扫描。

  • 基于 Nimble 协议栈：通过 ble_gap_disc() 或 ble_gap_ext_disc() 的 duration 参数控制。

• 重复过滤：启用后，控制器会过滤重复的广播报告，减少 Host 侧处理和唤醒次数，间接降低系统功耗。

  • 基于 Bluedroid 协议栈：通过 esp_ble_ext_scan_params_t 结构体中的 .scan_duplicate 配置，具体可参考 扫描重复过滤说明。

  • 基于 Nimble 协议栈：通过 ble_gap_disc_params 结构体中的 .filter_duplicates 配置，设置为 1 代表过滤重复广播，设置为 0 代表不过滤（每个广播都上报）。

• 扫描过滤策略：可设置为仅扫描指定设备，以减少无关广播带来的处理开销，适合已知目标设备地址的场景。

  • 基于 Bluedroid 协议栈：通过 esp_ble_scan_params_t 结构体中的 .scan_filter_policy 配置，具体可参考 过滤策略说明。

  • 基于 Nimble 协议栈：通过 ble_gap_disc_param 结构体中的 .filter_policy 配置，设置为 0 代表使用默认策略。

• 扫描时 TX 功率影响说明：扫描本身主要是 RX 行为，TX 功率对功耗影响较小；仅在主动扫描发送 Scan Request 时才涉及发射功率。一般无需单独为扫描模式调整 TX 功率，除非对链路可靠性有特殊要求。

Wi-Fi 低功耗优化项

Wi-Fi 优化涉及的配置项较多，以下仅列出部分通用配置项，更多说明请参考 Wi-Fi 场景下低功耗模式介绍。

Wi-Fi Modem sleep

对于 Wi-Fi，该模式只能应用于 STA 模式，可调用 esp_err_t esp_wifi_set_ps(wifi_ps_type_t type) 开启或选择启用状态：

• type = WIFI_PS_NONE，关闭 Modem sleep 模式，此时 RF 会一直处于打开状态。

• type = WIFI_PS_MIN_MODEM，芯片每隔一个 DTIM 会和路由器进行一次交互，交互结束后暂时关闭 RF，然后在下一个 DTIM 再醒来。

• type = WIFI_PS_MAX_MODEM，芯片每隔一个 listen interval 会和路由器进行一次交互，交互结束后暂时关闭 RF，然后在下一个 listen interval 醒来。

备注

DTIM 和 listen interval 的区别可参考 此处

在 ESP32 系列芯片中，Wi-Fi Modem sleep 模式是默认打开的，其默认值为 WIFI_PS_MIN_MODEM。

进一步说明请参考 Modem-sleep 模式配置。

更改最小等待时间和最大保活时间

最小等待时间

当 ESP32 作为 STA 和 AP 进行通信时，启用 Modem-sleep 后，STA 在接收完一次数据后不会立即关闭 RF，而是会保持一段最短活动时间，这段时间称为 Minimum active time，默认值为 50 ms。在保证每次数据吞吐量的基础上，可以通过调整 CONFIG_ESP_WIFI_SLP_DEFAULT_MIN_ACTIVE_TIME 适当减少这个等待时间，从而降低功耗。

最大保活时间

当 ESP32 处于 power save 模式时，需要周期性地向 AP 发送一个 keep alive 包来告诉 AP 自己仍保持连接。Maximum keep alive time 即是发送这个 keep alive 包的时间周期，默认为 10 s。可以通过调整 CONFIG_ESP_WIFI_SLP_DEFAULT_MAX_ACTIVE_TIME 增大该时间间隔以减少发包，从而降低功耗。

推荐配置

• Minimum active time = 15~20

• Maximum keep alive time = 60

开启断连电源管理

使能 CONFIG_ESP_WIFI_STA_DISCONNECTED_PM_ENABLE 后，即使 Wi-Fi STA 断开连接，Wi-Fi 模块仍可保持在 Modem-sleep 模式，从而降低断连期间的功耗。

开启 Beacon lost 优化

备注

该优化项仅适用于 ESP-IDF v4.4 及以上版本。

Wi-Fi 保活的一个基础是能够定时接收到路由器发送的 Beacon 包。在实际使用环境中，因各种原因会导致 Beacon 丢失。

在 release/v4.4 之前的版本中，丢失 Beacon 后 ESP32 会保持 RF 继续开启，直到接收到下一个 Beacon。

v4.4 以后的版本可通过使能 CONFIG_ESP_WIFI_SLP_Beacon_LOST_OPT 以开启 Beacon lost 优化，避免这一行为对功耗造成的影响。

如下图所示，优化原理是在丢失 Beacon 时不会一直开着 RF 接收，而是开一段时间没接收到就进入睡眠模式，然后再起来收包，重复几次后如果还没收到，才会和常规操作一样开着 RF 直到接收到位置。这样可大大提高未接收到 Beacon 时的容错率，从而减少功耗。

Beacon lost 优化示意图-1

Beacon lost 优化示意图-2

开启此选项后会引出额外配置项，主要需要关注：

• CONFIG_ESP_WIFI_SLP_Beacon_LOST_TIMEOUT：表示等待多久没收到 Beacon 就进入休眠。

• CONFIG_ESP_WIFI_SLP_Beacon_LOST_THRESHOLD：表示重复多少次没收到才持续开启，该选项不应设得过大，一般设为 3 个即可。

设置最大 Wi-Fi TX power

使能 CONFIG_ESP_PHY_MAX_WIFI_TX_POWER 后，可限制 Wi-Fi 的最大发射功率，从而降低发送过程中的瞬时电流和平均功耗；在信号条件良好的场景下，可有效减少能耗并提升系统稳定性，但会缩小通信距离并可能影响链路可靠性，应根据实际使用环境进行权衡配置。

在代码中，可通过调用 esp_wifi_set_max_tx_power() 进行设置。

优化 Wi-Fi 执行速度

将部分 Wi-Fi 相关内容放入 IRAM 中，可以提升 Wi-Fi 执行速度。此操作可以缩短 RF 和 CPU 的活跃时间，使系统能够更早进入 Modem sleep 或 Light sleep 模式，从而降低整体平均功耗。

相关配置项如下：

• CONFIG_ESP_WIFI_IRAM_OPT：将 Wi-Fi 库中频繁调用的函数放入 IRAM 中执行。

• CONFIG_ESP_WIFI_EXTRA_IRAM_OPT：将额外一部分频繁调用的 Wi-Fi 库函数放入 IRAM 中执行。

• CONFIG_ESP_WIFI_SLP_IRAM_OPT：将 Wi-Fi 库中与 TBTT 处理（目标 Beacon 发送时间）及接收 Beacon 相关的函数放入 IRAM 中执行。请注意，该选项和前两项存在部分功能重叠。

• CONFIG_ESP_WIFI_RX_IRAM_OPT：将 Wi-Fi 库中频繁调用的接收（RX）相关函数 放入 IRAM 中执行。

Wi-Fi 物理层收包

备注

该优化项仅适用于 ESP32-C6, ESP32-C5, ESP32-C61 芯片。且目前该功能无法与 外围设备下电 同时使用。

使能 CONFIG_ESP_WIFI_ENHANCED_LIGHT_SLEEP 后，在 Light sleep 期间，PHY 层自动收包，Wi-Fi 接收 Beacon 不再需要 CPU 参与，只有 Wi-Fi MAC + Baseband + RF 工作，以节省功耗。

为了更直观地展示各模块在不同模式下的工作状态，可通过 不同 mode 下接收发射波形图 观察 CPU、MAC、Baseband 和 RF 的活动差异。

补充内容

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 的值 * 100 MS，如果当 DTIM=10，即每次唤醒的时间间隔为 10 * 100 ms = 1 s。

外部 32 KHz 晶振

使用外部 32 KHz 晶振可以获得更低的功耗。主要有以下几个原因：

• 内部的晶振容易受到干扰，相比之下外接晶振的精度更高，并可以在各种睡眠情况下使用。

• 对于时间精度要求比较高的应用，如蓝牙和 Wi-Fi 的保活，需要定时起来接受 Beacon，一旦时钟漂移过大，错过了接收的点，会导致打开 RF 等待的窗口期变长，从而大大增加功耗。

外部晶振有两种：

• External 32kHz crystal: 为外部无源晶振，也是大部分时候推荐的晶振

• External 32kHz oscillator at 32K_XP pin: 为外部有源晶振，价格更贵，同时会造成底电流上升 50 ~ 100 μA

使能外部时钟源需要如下配置：

使能外部晶振

• 配置项名称: ESP32C3_RTC_CLK_SRC_EXT_CRYS

• 配置路径: (Top) → Component config → ESP32XX-Specific → RTC clock source

备注

ESP32-C2 内部没有无源晶振的起振电路，只支持外部有源晶振；晶振的布局可以参考各芯片对应的硬件设计指南。

不同 mode 下接收发射波形图

Modem Mode（物理层收 Beacon）: 一次收包时间开销为 2.1 ms 左右，收包电流为 64 mA ~ 70 mA 左右。

Active Mode RX: 一次收包时长 5.3 ms 左右，收包电流 80 mA 左右。

RX 没收到包: 对比没收到包的情况，不会有持续一段时间电流的波形。

Active Mode TX: 持续时间不定，TX 电流与 Wi-Fi 信道相关。