超低功耗嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技巧
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2 降低系統(tǒng)功耗的途徑
①降低集成電路的動態(tài)功耗。根據(jù)式(1)可知，要降低集成電路的動態(tài)功耗，途徑有：a．降低活動因子，也就是降低電容充放電的平均次數(shù)。b．降低電源電壓。因?yàn)閯討B(tài)功耗與電壓的平方成正比，瞬時(shí)導(dǎo)通功耗與電壓成正比，因此在滿足電路速度的前提之下，降低電源電壓是降低電路功耗的最有效的辦法。c．降低負(fù)載電容。為了減小負(fù)載電容，在工藝方面可以選擇小的器件，物理實(shí)現(xiàn)時(shí)減小連線的長度。d．降低開關(guān)頻率，在式(1)中，電路的功耗與工作頻率成正比，因此降低時(shí)鐘頻率可以直接降低動態(tài)功耗。
②盡可能選用靜態(tài)功耗小的CMOS集成芯片，以降低系統(tǒng)的靜態(tài)漏電功耗。
③盡可能地減少純電阻的使用。純電阻是耗能元件，電能直接轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉了，所以要盡可能地避免電阻的使用。
④減少有源開關(guān)器件的使用。有源開關(guān)器件(如晶體管)在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間有比較大的電流消耗，減少這類器件的使用有助于減小功耗。本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/151493.htm
3 設(shè)計(jì)技巧
3．1 硬件方面
在器件選擇上，要盡量實(shí)現(xiàn)全CMOS化的硬件設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)超低功耗系統(tǒng)時(shí)，要對電源電壓、時(shí)鐘頻率以及靜態(tài)功耗進(jìn)行控制，并遵循系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的4項(xiàng)基本原則：電壓能低就不高，頻率能慢就不快，系統(tǒng)能靜(態(tài))就不動(態(tài))，電源能斷就不通。
3．1．1 微處理器選擇
隨著低功耗系統(tǒng)需求的增加，很多單片機(jī)廠商都推出了自己的低功耗產(chǎn)品，如Philips公司的P8XLPC系列，TI公司的MSP430系列，Micro-chip公司的PIC單片機(jī)以及NXP公司的ARM Cortex-M0系列。如果處理器本身具有超低功耗特性，首先必須能在低電壓和低頻率工作，其次還要看單片機(jī)自身的特性，看是否是面向超低功耗應(yīng)用而設(shè)計(jì)的單片機(jī)，需要對處理器的工作模式、工作電流、休眠電流、掉電電流作詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)。
Microchip公司采用nanoWatt XLP(eXtreme Low Power)極低功耗技術(shù)的MCU的典型電流消耗為：掉電電流小于100 nA；看門狗電流消耗小于800 nA；實(shí)時(shí)時(shí)鐘和日歷電流消耗小于800 nA。該公司的PIC24F16KA系列的MCU，典型休眠電流可以低至20 nA，實(shí)時(shí)時(shí)鐘電流490 nA，看門狗定時(shí)器電流370 nA。該系列的MCU可使應(yīng)用連續(xù)運(yùn)行20年以上而無需更換電池。
NXP公司采用ARM Cortex-M0內(nèi)核的LPCllxx系列32位處理器的能耗僅為85μW／MHz，此系列處理器的功耗統(tǒng)計(jì)如表1和表2所列。
3．1．2 外圍集成電路
與TTL數(shù)字集成電路相比，CMOS數(shù)字集成電路在低功耗特性上具有無可比擬的優(yōu)越性能。在存儲容量需求較小的條件下，采用FRAM代替一般的Flash或E2PROM，將會節(jié)省很多電能，因?yàn)镕RAM的寫入功耗是Flash和E2PROM的1／1 000～1／100 000。
3．1．3 低電壓供電
目前許多芯片的電源電壓范圍都比較寬，系統(tǒng)的功耗和系統(tǒng)的供電電壓存在著一定的函數(shù)關(guān)系。對于純電阻電路，功耗為P=V2／R；對于容性負(fù)載電路，動態(tài)功耗為，見式(1)。從以上2式可以看出，系統(tǒng)的功耗與系統(tǒng)供電電壓的平方成正比。當(dāng)供電電壓由5 V降到3．3 V時(shí)，功耗將減少50％以上；當(dāng)電壓降到1．8 V時(shí)，功耗將減少80％以上，如圖3所示。
3．1．4 分區(qū)供電
分區(qū)供電就是要控制電源供電部分，需要對電源進(jìn)行分割，使系統(tǒng)功能模塊的電源供電相對獨(dú)立，同時(shí)實(shí)現(xiàn)其可控設(shè)計(jì)，便于獨(dú)立供電和動態(tài)管理；在閑置時(shí)利用開關(guān)控制各個(gè)部分的關(guān)斷，以節(jié)省電能。在系統(tǒng)休眠或掉電工作時(shí)關(guān)掉外圍電路的電源，僅僅保留CPU和定時(shí)器電路的電源。分區(qū)控制電源電路示意圖如圖4所示。
圖4中的晶體管用作電源開關(guān)，控制電源VCC向分區(qū)供電部分供電，供電控制端接到處理器的輸出引腳上。對于圖4(a)中的PNP管，高電平切斷分區(qū)供電部分的電源，低電平使PNP晶體管導(dǎo)通，此時(shí)VCC向分區(qū)供電部分供電；對于圖4(b)中的NPN管，供電情形則相反。
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