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)計中必須遵循的幾項原則,分別說明了硬件和軟件設(shè)計中應(yīng)該注意的幾個問題。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快速發(fā)展的時期。
關(guān)鍵詞: 超低功耗設(shè)計? CMOS集成電路? 靜態(tài)功耗? 動態(tài)功耗
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以手機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、放大器、液晶顯示屏等)已經(jīng)對電路設(shè)計人員形成了極大的誘惑。毫無疑問,超低功耗電路設(shè)計已經(jīng)對低功耗電路提出了挑戰(zhàn),并將擴展成為電子電路中的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。
雖然超低功耗設(shè)計仍然是在CMOS集成電路(IC)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,但是因為用戶眾多,數(shù)千種專用或通用超低功耗IC不斷涌現(xiàn),使設(shè)計人員不再在傳統(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)展起來就是一個證明。目前,電池供電的單片機則是超低功耗IC的代表。
本文將對超低功耗電路設(shè)計原則進行分析,并就怎樣設(shè)計成超低功耗的產(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對單元電路進行了新形式的設(shè)計,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,休眠電流常在50μA～2mA范圍內(nèi);而超低功耗的單片機休眠電流可達到1μA以下。
CMOS電路的動態(tài)功耗" title="動態(tài)功耗">動態(tài)功耗不僅取決于負載,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)計超低功耗電路時不得不對全部元件的內(nèi)外性質(zhì)做仔細分析。
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)功耗表達式。其中,靜態(tài)功耗電流IDD值常用于評價電路的靜態(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)為總的動態(tài)功耗表達式。動態(tài)功耗體現(xiàn)在電路進行邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中內(nèi)部消耗的功率。對CMOS電路來說,動態(tài)功耗反映了輸入信號出現(xiàn)變化時所形成的功耗增量。動態(tài)功耗表現(xiàn)在以下兩方面:
第一是瞬時導(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(如互補電路)的P溝道和N溝道晶體管同時導(dǎo)通,由電源流經(jīng)兩個導(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兩個開啟電壓的絕對值之和時,將在上升沿和下降沿產(chǎn)生瞬時導(dǎo)通功耗,如圖1所示。
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圖中,假設(shè)兩個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之間有瞬時導(dǎo)通電流iTC通過。而這些瞬時導(dǎo)通電流在整個信號周期內(nèi)的過渡過程時間的平均值形成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。以帶有負載電容CL的互補電路的輸出端為例,由邏輯低電平變?yōu)檫壿嫺唠娖綍r,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,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的瞬時充、放電電流與VDD之積進行積分,可以計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載有關(guān)。
2 超低功耗系統(tǒng)設(shè)計原則
通過以上分析,可以總結(jié)出超低功耗系統(tǒng)的設(shè)計原則。在設(shè)計超低功耗系統(tǒng)時,要對電源電壓、時鐘頻率以及靜態(tài)功耗進行控制。這就形成了電源宜低不宜高、時鐘宜慢不宜快、系統(tǒng)(器件)宜靜不宜動的“三相宜”原則。
結(jié)合三相宜原則,對硬件及軟件設(shè)計時要注意以下四個問題:
·微處理器MCU的選擇
·IC器件的選擇
·供電管理硬件設(shè)計
·系統(tǒng)低功耗的運行管理
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,還要看單片機自身的特性。例如是否是面向超低功耗應(yīng)用而設(shè)計的單片機,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(Intel的80C31和Philips的P87LPC764)的低功耗特性。
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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時工作電流為7μA;在1MHz/2.2V時工作電流為250μA。它可以工作在低時鐘頻率下,如32.768kHz;還具有5種低功耗模式,備用模式時為1.3μA,而選用第五種低功耗工作模式時,甚至能達到0.1μA的休眠電流。
總之,低電源電壓和低時鐘頻率都對單片機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,選擇合適的單片機對降低整個系統(tǒng)的功耗大有益處。
2.2 外圍器件的選擇
作為一個完整的電路系統(tǒng),如果要整個系統(tǒng)的功耗都得以降低,單靠單片機本身并不能完成,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,盡量選用與單片機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)計的器件。
MAXIM公司的一些IC產(chǎn)品,如運放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
采用單電池電源實現(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立供電,在不工作時可以分別斷電,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)。這樣可以利用微機做到實時關(guān)斷控制,有利于獨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)動電流小的器件,首選MOSFET。
對于系統(tǒng)中電源泄漏電流也要進行檢查,包括系統(tǒng)電源泄漏、RC泄漏、分布電路泄漏、保護電路泄漏、意外泄漏等。其間還要耐心進行靜態(tài)運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)計中精心考慮,切實把系統(tǒng)功耗降到最低。
2.4 系統(tǒng)低功耗的運行管理
此部分強調(diào)軟件的管理。結(jié)合硬件的設(shè)計,應(yīng)消除程序的無謂循環(huán)等待。當(dāng)系統(tǒng)不工作時,應(yīng)使單片機及時進入低功耗或休眠模式?？蛇x擇關(guān)斷CPU時鐘或系統(tǒng)時鐘,對時鐘的控制要做到忙時多用、閑時少用、不用關(guān)閉的原則。對外圍電路通過SHDN(關(guān)斷)控制其工作時間。
選擇盡可能低的工作頻率作為系統(tǒng)時鐘和信號頻率。
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鐘。
對于可程控的數(shù)字量輸出的IC管腳,因為考慮驅(qū)動負載能力,負載常接正電源。所以在不工作時,這些管腳要盡量控制輸出為高電平。
最后還要提出一個重要原則,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,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)計中應(yīng)遵循的一些原則進行了分析。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。
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參考文獻
1 胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2001
2 周慈航.PHILIPS 51LPC系列OTP單片機原理及設(shè)計.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2000