周光森 史歡歡 張若南
摘要:電路里的大電流會(huì)使產(chǎn)品的壽命和可靠性降低,電源的動(dòng)態(tài)壓降嚴(yán)重的時(shí)候還會(huì)造成失效。很多電子產(chǎn)品如智能手表等都是鋰電池供電,如果采用同樣容量大小的鋰電池進(jìn)行測(cè)試,不難發(fā)現(xiàn)電子產(chǎn)品低功耗做的好的,工作時(shí)間越長(zhǎng)。因此,低功耗設(shè)計(jì)在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中占據(jù)重要地位。
關(guān)鍵詞:電池;低功耗器件;電路設(shè)計(jì);程序設(shè)計(jì)
一、電池供電
在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,低功耗設(shè)計(jì)(Low-Power Design)是許多設(shè)計(jì)人員必須面對(duì)的問(wèn)題,其原因在于嵌入式系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于便攜式、移動(dòng)設(shè)備、無(wú)線類儀表的產(chǎn)品中去,而這些產(chǎn)品往往是靠電池來(lái)供電,所以電池的選擇尤為重要。電池供電應(yīng)該根據(jù)具體項(xiàng)目需求,選用可充電性電池或者是一次性電池,還要考慮其容量;體積、耐溫性能、自放電率、安全性等等。
二、低功耗器件
隨著半導(dǎo)體工藝的飛速發(fā)展和芯片工作頻率的提高,芯片的功耗迅速增加,而功耗增加又將導(dǎo)致芯片發(fā)熱量的增大和可靠性的下降。因此,功耗已經(jīng)成為集成電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要考慮因素。為了使產(chǎn)品更具競(jìng)爭(zhēng)力,工業(yè)界對(duì)芯片設(shè)計(jì)的要求已從單純追求高性能、小面積轉(zhuǎn)為對(duì)性能、面積、功耗的綜合要求。而微處理器作為數(shù)字系統(tǒng)的核心部件,其低功耗設(shè)計(jì)對(duì)降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗具有重要的意義。由于電子電路集成化的最大優(yōu)點(diǎn)是能使復(fù)雜電路小型輕便,所以隨著便攜式儀器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大,選擇器件時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):
①選用具有低功耗特性的單片機(jī)可以大大降低系統(tǒng)功耗。可以從供電電壓、單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)計(jì)和低功耗模式等幾方面考察一款單片機(jī)的低功耗特性。
②系統(tǒng)中單片機(jī)以外的其他電路器件盡可能選擇靜態(tài)功耗低的器件;
③設(shè)計(jì)外部器件的電源控制電路,使外部器件或設(shè)備在不工作時(shí)關(guān)斷供電,減少無(wú)效功耗。
三、電路設(shè)計(jì)
想要延長(zhǎng)設(shè)備的電池壽命,電路的合理設(shè)計(jì)也是重要的環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)者至少需要掌握利用低功耗微控制器、傳感器、無(wú)線電和高功率電源等組件進(jìn)行設(shè)計(jì)的技巧。特別是當(dāng)設(shè)計(jì)越來(lái)越趨向小型和輕量化時(shí),運(yùn)用高效電源管理技巧來(lái)平衡電池的容量與尺寸也是至關(guān)重要的。此外,當(dāng)電池電壓下降到較低水平時(shí),選擇正確的升壓轉(zhuǎn)換器,輸出電壓高于源電壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器可有效延長(zhǎng)電池壽命。想要確保為電池供電設(shè)計(jì)選擇正確的升壓轉(zhuǎn)換器,需要考慮以下因素:
①靜態(tài)電流:越低的靜態(tài)電流越有利于延長(zhǎng)系統(tǒng)待機(jī)模式下的電池壽命;
②真關(guān)斷模式:關(guān)斷時(shí)將電流輸出與輸入阻塞,提高效率、延長(zhǎng)產(chǎn)品保存期限;
③輸入電壓范圍:允許利用幾乎耗盡的電池進(jìn)行工作;
④效率:測(cè)量VIN、VOUT和IOUT,百分比越高,越有利于延長(zhǎng)電池壽命。
此外,核心CPU低功耗性能直接影響著產(chǎn)品的最終性能,CPU晶振的工作頻率與功耗成正比,在滿足系統(tǒng)需求的情況下,盡可能降低晶振的頻率會(huì)大幅降低功耗。
四、程序設(shè)計(jì)
軟件對(duì)于低功耗系統(tǒng)的重要性常常被人們忽略。許多技術(shù)可以降低系統(tǒng)的功耗,通過(guò)合理的軟件程序設(shè)計(jì)。最常用的是Sleep模式。程序執(zhí)行一條Sleep指令,便進(jìn)入了休眠(Sleep)模式。在Sleep模式下,晶振停止振蕩,而此時(shí)CPU在3V電源條件下,只有1μA的電流。系統(tǒng)工作時(shí),可以采用看門狗或外部事件周期性地喚醒CPU,從而達(dá)到降低功耗的目的。利用程序合理控制電路的工作流程,關(guān)斷一切可以關(guān)斷的芯片電源,以減少系統(tǒng)待機(jī)功耗,延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。對(duì)于CPU未使用的GPIO而言,應(yīng)該將其設(shè)置為固定狀態(tài),給出固定電平,且不可放任不管。更細(xì)致地降低功耗的軟件設(shè)計(jì),可采取如下方法:
①用“中斷”代替“查詢”,使用中斷方式,CPU可以什么都不做,甚至可以進(jìn)入等待模式或停止模式,而查詢方式下,CPU必須不停地訪問(wèn)1/0寄存器,這會(huì)帶來(lái)很多額外的功耗;
②用“宏”代替“子程序”,宏會(huì)在編譯時(shí)展開(kāi),CPU只是順序執(zhí)行指令,避免了調(diào)用子程序。因?yàn)镃PU進(jìn)入子程序時(shí),會(huì)首先將當(dāng)前CPU寄存器推人堆棧(RAM),在離開(kāi)時(shí)又將CPU寄存器彈出堆棧,這樣至少帶來(lái)兩次對(duì)RAM的操作;
③盡量減少CPU的運(yùn)算量,用查表的方法替代實(shí)時(shí)的計(jì)算,減少CPU的運(yùn)算工作量,可以有效地降低CPU的功耗;
④讓1/0模塊間歇運(yùn)行,不用的1/0模塊或間歇使用的1/0模塊要及時(shí)關(guān)掉,以節(jié)省電能,比如不用的控制外圍芯片可以關(guān)掉使能引腳。
五、結(jié)束語(yǔ)
一個(gè)成功的低功耗設(shè)計(jì)應(yīng)該是硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的結(jié)合。從硬件設(shè)計(jì)開(kāi)始,就應(yīng)該充分意識(shí)到低功耗應(yīng)用的特性,選擇一款合適的單片機(jī),設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案;在軟件設(shè)計(jì)上,要考慮到低功耗編程的特殊性,并盡量使用單片機(jī)的低功耗模式。掌握了低功耗的設(shè)計(jì),對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品有重大意義。