摘? 要: 立足于CMOS集成電路的功耗分析,指出了低功耗" title="低功耗">低功耗" title="超低功耗" title="超低功耗">超低功耗">超低功耗電子電路設(shè)計(jì)中必須遵循的幾項(xiàng)原則,分別說明了硬件和軟件設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的幾個(gè)問題。指出以新型超低功耗IC為基礎(chǔ)的便攜式儀表將面臨一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期。
關(guān)鍵詞: 超低功耗設(shè)計(jì)? CMOS集成電路? 靜態(tài)功耗? 動(dòng)態(tài)功耗
?
以手機(jī)為代表的電池供電電路的興起,為便攜式儀表開創(chuàng)了一個(gè)新的紀(jì)元。超低功耗電路系統(tǒng)(包括超低功耗的電源、單片機(jī)、放大器、液晶顯示屏等)已經(jīng)對電路設(shè)計(jì)人員形成了極大的誘惑。毫無疑問,超低功耗電路設(shè)計(jì)已經(jīng)對低功耗電路提出了挑戰(zhàn),并將擴(kuò)展成為電子電路中的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。
雖然超低功耗設(shè)計(jì)仍然是在CMOS集成電路(IC)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,但是因?yàn)橛脩舯姸?數(shù)千種專用或通用超低功耗IC不斷涌現(xiàn),使設(shè)計(jì)人員不再在傳統(tǒng)的CMOS型IC上下功夫,轉(zhuǎn)而選擇新型超低功耗IC,致使近年來產(chǎn)生了多種超低功耗儀表。電池供電的水表、暖氣表和煤氣表近幾年能夠發(fā)展起來就是一個(gè)證明。目前,電池供電的單片機(jī)則是超低功耗IC的代表。
本文將對超低功耗電路設(shè)計(jì)原則進(jìn)行分析,并就怎樣設(shè)計(jì)成超低功耗的產(chǎn)品作一些論述,從而證明了這種電路在電路結(jié)構(gòu)和性價(jià)比等方面對傳統(tǒng)電路極具競爭力。
1 CMOS集成電路的功耗分析
無論是低功耗還是超低功耗IC,主要還是建立在CMOS電路基礎(chǔ)上的。雖然超低功耗IC對單元電路進(jìn)行了新形式的設(shè)計(jì),但作為功耗分析,仍然離不開CMOS電路基本原理。以74系列為代表的TTL集成電路,每門的平均功耗約為10mW;低功耗的TTL集成電路,每門平均功耗只有1mW。74系列高速CMOS電路,每門平均功耗約為10μW;而超低功耗CMOS通用小規(guī)模IC,整片的靜態(tài)平均功耗卻可低于10μW。傳統(tǒng)的單片機(jī),休眠電流常在50μA～2mA范圍內(nèi);而超低功耗的單片機(jī)休眠電流可達(dá)到1μA以下。
CMOS電路的動(dòng)態(tài)功耗" title="動(dòng)態(tài)功耗">動(dòng)態(tài)功耗不僅取決于負(fù)載,而且就電路內(nèi)部而言,功耗與電源電壓" title="電源電壓">電源電壓、集成度、輸出電平以及工作頻率都有密切聯(lián)系。因此設(shè)計(jì)超低功耗電路時(shí)不得不對全部元件的內(nèi)外性質(zhì)做仔細(xì)分析。
CHMOS或CMOS電路的功耗特性一般可以表示為:
P=PD+PA
式中, P——總功耗
式(1)為靜態(tài)功耗表達(dá)式。其中,靜態(tài)功耗電流IDD值常用于評價(jià)電路的靜態(tài)功耗大小。它以電路中流經(jīng)各PN結(jié)的反向漏電流為主,而且它與電源電壓VDD有關(guān),隨著VDD的加大,IDD亦增大。
式(2)為總的動(dòng)態(tài)功耗表達(dá)式。動(dòng)態(tài)功耗體現(xiàn)在電路進(jìn)行邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中內(nèi)部消耗的功率。對CMOS電路來說,動(dòng)態(tài)功耗反映了輸入信號出現(xiàn)變化時(shí)所形成的功耗增量。動(dòng)態(tài)功耗表現(xiàn)在以下兩方面:
第一是瞬時(shí)導(dǎo)通" title="導(dǎo)通">導(dǎo)通功耗,即在信號狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程,某一回路(如互補(bǔ)電路)的P溝道和N溝道晶體管同時(shí)導(dǎo)通,由電源流經(jīng)兩個(gè)導(dǎo)通溝道的電流所消耗的功率。
當(dāng)輸入脈沖電壓的幅度大于PMOS和NMOS兩個(gè)開啟電壓的絕對值之和時(shí),將在上升沿和下降沿產(chǎn)生瞬時(shí)導(dǎo)通功耗,如圖1所示。
?
?
圖中,假設(shè)兩個(gè)MOS晶體管的開啟電壓分別為VTN和VTP,并且滿足VDD>VTN+|VTP|的關(guān)系。輸入電壓由邏輯低電平過渡到邏輯高電平,在t1至t2期間,既滿足VI>VTN,也滿足(VDD-VI)>|VTP|的條件,因此從VDD到VSS之間有瞬時(shí)導(dǎo)通電流iTC通過。而這些瞬時(shí)導(dǎo)通電流在整個(gè)信號周期內(nèi)的過渡過程時(shí)間的平均值形成ITC,從而有:
由此可見,PTC隨著電源電壓VDD或脈沖頻率f的增加而增加,并且與脈沖電流的波形有關(guān)。如果電流波形峰值大,過渡過程中導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間長,則PTC增大。影響電流脈沖波形形狀的因素比較多,例如,輸入電壓VI跳變過程較慢,則脈沖電流iTC持續(xù)時(shí)間就比較長;而MOS晶體管的開啟電壓低、跨導(dǎo)大,則脈沖電流iTC的峰值也大。
第二是電容充放電功耗。電路輸出端邏輯電平的改變總是伴隨著輸出電容CL的充放電過程。以帶有負(fù)載電容CL的互補(bǔ)電路的輸出端為例,由邏輯低電平變?yōu)檫壿嫺唠娖綍r(shí),VDD通過導(dǎo)通的P溝道電阻對輸出電容CL充電;由邏輯高電平變?yōu)檫壿嫷碗娖綍r(shí),CL通過導(dǎo)通的N溝道電阻放電。這種充放電過程在電路內(nèi)部要消耗功率。將電容CL的瞬時(shí)充、放電電流與VDD之積進(jìn)行積分,可以計(jì)算出電容充放電功耗PC,可表示為:
由此看出,這部分功耗主要取決于外部使用條件f、CL和VDD三個(gè)參數(shù),而與電路內(nèi)部本身參數(shù)幾乎無關(guān)。
從以上對CMOS電路的功耗分析可以看出,系統(tǒng)的總功耗與系統(tǒng)的電源電壓有很大關(guān)系。而動(dòng)態(tài)功耗除了與電源電壓的平方有關(guān)外,還與其工作脈沖重復(fù)頻率、脈沖波形以及輸出容性負(fù)載有關(guān)。
2 超低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則
通過以上分析,可以總結(jié)出超低功耗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則。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。這就形成了電源宜低不宜高、時(shí)鐘宜慢不宜快、系統(tǒng)(器件)宜靜不宜動(dòng)的“三相宜”原則。
結(jié)合三相宜原則,對硬件及軟件設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下四個(gè)問題:
·微處理器MCU的選擇
·IC器件的選擇
·供電管理硬件設(shè)計(jì)
·系統(tǒng)低功耗的運(yùn)行管理
2.1 微處理器MCU的選擇
隨著超低功耗系統(tǒng)的興起,一些大的單片機(jī)廠商都推出了自己的低功耗產(chǎn)品。如Intel公司的80C31系列,Philips公司的51LPC系列、Microchip公司的PIC系列以及TI公司的MSP430系列等。雖然它們都采用了具有低功耗特點(diǎn)的CHMOS工藝,但新老產(chǎn)品在低功耗性能上又有很大差別。
由式(4)可以粗略地看出,如果單片機(jī)本身具有超低功耗特性,首先必須能在低電壓和低頻率之下工作。
其次,還要看單片機(jī)自身的特性。例如是否是面向超低功耗應(yīng)用而設(shè)計(jì)的單片機(jī),它具有幾種休眠模式、工作電流大小為何、休眠電流大小為何等。
表1列出了兩種單片機(jī)(Intel的80C31和Philips的P87LPC764)的低功耗特性。
?
?
由表1可知,Intel公司的80C31和Philips的P87LPC764都有兩種低功耗模式:空閑模式和掉電模式。在掉電模式下,80C31的電源電流為50μA,而P87LPC764的電源電流僅為1μA。
此外,TI公司的MSP430F135單片機(jī)具有低電源電壓范圍(1.8～3.6V)和低工作電流特性,如在主頻32kHz/電源電壓2.2V時(shí)工作電流為7μA;在1MHz/2.2V時(shí)工作電流為250μA。它可以工作在低時(shí)鐘頻率下,如32.768kHz;還具有5種低功耗模式,備用模式時(shí)為1.3μA,而選用第五種低功耗工作模式時(shí),甚至能達(dá)到0.1μA的休眠電流。
總之,低電源電壓和低時(shí)鐘頻率都對單片機(jī)的選擇有很大的影響,再加上各種單片本身所具有的低功耗特性,選擇合適的單片機(jī)對降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗大有益處。
2.2 外圍器件的選擇
作為一個(gè)完整的電路系統(tǒng),如果要整個(gè)系統(tǒng)的功耗都得以降低,單靠單片機(jī)本身并不能完成,其外圍元器件的選擇也相當(dāng)重要。在模擬電路方面,在滿足其性能要求的同時(shí),盡量選用與單片機(jī)工作電源相匹配的低電源產(chǎn)品以及專為低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的器件。
MAXIM公司的一些IC產(chǎn)品,如運(yùn)放MAX4131/2/3/4、比較器MAX987/991等;Philips公司的一些I2C器件,如PCF8574、PCF8563;還有ATMEL公司的24WC系列的I2C器件等都是μA級產(chǎn)品?，F(xiàn)在各大IC生產(chǎn)廠商幾乎都在這類產(chǎn)品上有所發(fā)展。
對于數(shù)字電路,一般都選HCMOS器件。僅從功耗角度考慮,對于74系列芯片可選用74HC或74HCT系列。后者比74LS系列的每門功耗小上百、上千倍。對于4000系列芯片也可選用HC或HCT系列。
最后就是顯示屏,自然也要選那些低電源電壓和低功耗產(chǎn)品。
2.3 電源管理硬件設(shè)計(jì)
采用單電池電源實(shí)現(xiàn)多分支電源網(wǎng)絡(luò)管理,使得系統(tǒng)各功能模塊的電源相對獨(dú)立供電,在不工作時(shí)可以分別斷電,以節(jié)省功耗。
在供電控制方式中,選擇具有可關(guān)斷的DC-DC模塊或電源總線開關(guān)。這樣可以利用微機(jī)做到實(shí)時(shí)關(guān)斷控制,有利于獨(dú)立供電支路功耗的管理。
在供電控制方式中的總線電源開關(guān)要選擇那些導(dǎo)通電阻小、靜態(tài)功耗小、開關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)電流小的器件,首選MOSFET。
對于系統(tǒng)中電源泄漏電流也要進(jìn)行檢查,包括系統(tǒng)電源泄漏、RC泄漏、分布電路泄漏、保護(hù)電路泄漏、意外泄漏等。其間還要耐心進(jìn)行靜態(tài)運(yùn)行的全功耗測定與比較。此外還有電源關(guān)斷的防泄漏,都要在電路設(shè)計(jì)中精心考慮,切實(shí)把系統(tǒng)功耗降到最低。
2.4 系統(tǒng)低功耗的運(yùn)行管理
此部分強(qiáng)調(diào)軟件的管理。結(jié)合硬件的設(shè)計(jì),應(yīng)消除程序的無謂循環(huán)等待。當(dāng)系統(tǒng)不工作時(shí),應(yīng)使單片機(jī)及時(shí)進(jìn)入低功耗或休眠模式。可選擇關(guān)斷CPU時(shí)鐘或系統(tǒng)時(shí)鐘,對時(shí)鐘的控制要做到忙時(shí)多用、閑時(shí)少用、不用關(guān)閉的原則。對外圍電路通過SHDN(關(guān)斷)控制其工作時(shí)間。
選擇盡可能低的工作頻率作為系統(tǒng)時(shí)鐘和信號頻率。
結(jié)合硬件中外圍模塊的低功耗控制功能,分別利用軟件控制外圍模塊電源的開啟和導(dǎo)通。
對于顯示器件,不用動(dòng)態(tài)掃描方式,而用靜態(tài)顯示方式。顯示過后,可以關(guān)掉顯示,甚至關(guān)掉顯示模塊的振蕩時(shí)鐘。
對于可程控的數(shù)字量輸出的IC管腳,因?yàn)榭紤]驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力,負(fù)載常接正電源。所以在不工作時(shí),這些管腳要盡量控制輸出為高電平。
最后還要提出一個(gè)重要原則,就是盡量用軟件替代硬件的原則。這樣不僅簡化了硬件設(shè)計(jì),而且對降低功耗也起到了重要的作用。
以上分別對CMOS電路特性和超低功耗電路系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循的一些原則進(jìn)行了分析。除此以外,還有其它一些應(yīng)注意的問題,如減少電路的分布電容,在工作正常的情況下最大限度地加大各通路的阻抗等等,不再贅述。
?
參考文獻(xiàn)
1 胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機(jī).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2001
2 周慈航.PHILIPS 51LPC系列OTP單片機(jī)原理及設(shè)計(jì).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2000