电池供电设备的微功耗设计策略

基于单片机的电池供设备设计中,单片机芯片的工作电压、频率设置、工作模式设置都将影响系统的整体功耗,此外,减少外围电路以及合理的外围电路设计也是影响功耗的关键因素。本文结合在便携仪表的设计阐述了低功耗设计的单片机选择策略和外围电路设计思路。

在预付费式水表、气表、热表、数字流量计等应用中,一般采用电池供电。合理地设计这些单片机系统,可以在不换电池的情况下,能连续工作数年时间。要满足这些要求必须在设计中解决好单片机系统的微功耗问题,必须从单片机的选择、单片机的设计与使用、外部电路的设计以及电源供电方面综合考虑。

对于大部分单片机系统,由于单片机的运行速度很快,单片机在工作的过程中有大量的空闲等待时间。在某些情况下,系统的等待时间甚至可以达到总工作时间的95%以上。在等待过程中,单片机不作任何工作,只是在踏步等待,或者在循环判断有无新的外部请求。在这个过程中,可以让单片机内部的大部分电路工作在休眠状态,可以大大地降低单片机的功耗。同时,也可以让有关的外部电路工作在休眠状态,这样就使整个产品的供电大大降低。产品的这种非连续工作的特点是微功耗设计的基本思路,此外,还要根据产品的特点醉意更多的设计细节。

选择合适的CPU芯片是微功耗设计的关键

目前的单片机种类很多,而且大都针对某一个特定的应用,可根据具体应用情况选择合适的单片机。在需要进行微功耗设计的应用中,可以根据下面的规则来选择:

1. 选择尽可能减少外部电路的单片机。随着集成电路工艺技术的飞速发展,真正单片化的单片机系统已逐步成为主流产品。

2. 注意比较工作电流和静态电流。由于工艺的不同,单片机内部工作电流、静态电流不尽相同,有的甚至相差很大。在选择单片机时,不但要考虑其工作电流,还要仔细考虑其在休眠状态下的静态电流。

3. 通过比较可以看出,选用专用的低功耗单片机,可更加灵活地控制其功耗,在满足设计要求的前提下使其尽可能工作于最省电的模式。

4. 选择合适的ROM、RAM。一般来讲,存储器越大功耗也越大。在满足设计要求的情况下,尽可能使用单片机内部的ROM、RAM。

5. 选择合适的工作时钟频率。在较低的时钟频率下,单片机的功耗也较低。以MSP430F1121为例,当工作在1MHz的主频之下,典型电流消耗为300uA；而工作在4096Hz的主频之下,其电流只有3uA。

6. 选择合适的IO管脚数,和合适的IO驱动能力和显示驱动能力。单片机驱动的IO管脚数越多,其功耗也就越大。

7. 选择合适的单片机,实现真正意义上单片化,可以省去了大量的硬件开发调试工作,提高了工作效率,系统的可靠性、抗干扰能力得到了显著的改善,同时使系统成本降低,更加适合微型化和便携化,对降低系统功耗有着决定性的作用。

低功耗设计策略

a. 使内部电路可选择性地工作

一般,设计中不会用到全部的单片机内部电路,而那些没有用到的电路将产生额外的功耗。在需要进行微功耗设计的应用中,可以通过对内部特殊功能寄存器编程,选择使用不同的功能模块,对于不使用的功能模块使其停止工作,减少系统无效功耗。

b. 产品的低电压设计可以降低产品功耗

一般,单片机的工作电压越高,内部晶体管在放大区的工作时间也越长,单片机的功耗也就越大。由于采用先进的芯片生产工艺,使单片机的电压范围一般很宽,如可以在～5V电源电压范围内正常工作。为了降低系统功耗,可尽量采用低电压设计。

单片机供电电压范围的放宽,可以进一步拓宽单片机的应用领域,尤其是便携式或掌上型设备中,可以放心地使用电池作为电源,而不必关心放电过程电压曲线是否平衡、在低电压下是否会影响单片机正常工作,更不必因电池供电而专门增加稳压电路,从而可减少大量的功率消耗。

c. 在空闲状态时,采用低速时钟信号

单片机的功耗与其工作频率成正比,系统运行频率越高,电源功耗就会相应增大。图1所示为Philips公司的80C31单片机Vcc上的电流与主时钟频率的关系曲线,可以看出随着单片机主时钟频率的增加,其Vcc上的电流也呈线形增加,则其功耗也随着主时钟频率的增加而增加。

为更好地降低功耗,在许多单片机的内部集成了两套独立的时钟系统,即高速的主时钟和低速的副时钟,在不需要高速运行的情况下,可选用低速的副时钟,维持内部基本的定时要求。某些单片机的主时钟也可通过功能寄存器来重新设定,在满足功能需要的情况下,按一定比例降低主时钟频率,以降低电源功耗。可在程序运行的过程中,通过软件对特殊功能寄存器赋值在线改变时钟频率,或进行主时钟和副时钟切换。

d. 尽可能工作在休眠模式

为降低功耗,通常单片机都提供多种工作模式,当处于空闲时进入休眠模式,当有一个事件提出中断请求时,可以快速地返回到正常的运行模式,这样既可以保证系统节电,又不影响正常的工作。

不同的单片机会有不同的工作模式,如51系列的单片机有空闲模式和掉电模式。在不同的工作模式中,单片机内核中某些功能模块将设置为休眠状态。如MSP430系列单片机有6种不同的工作模式,除了一种是正常的运行模式(active mode)以外,其余五种均是低功耗模式,在这些模式下可以分别将CPU、内部时钟、内部总线、直至内部晶振全部关闭,使单片机的耗电降为最小。只有发生中断请求或复位时,系统被唤醒进入正常运行模式。

外部电路的微功耗设计

单片机周边电路的微功耗设计十分复杂,对产品的整体耗电而言也非常重要。复杂,庞大的周边电路将会带来很大的电源消耗,因此,应尽量少选用外部电路,尽可能利用单片机内部的资源。

作为一个用电池供电的设备而言,其静态功耗最好为几微安～几十微安,由于这部分电流是在待机状态下加在设备上,是常供电电流,在系统不工作的情况下将造成很大的电能浪费。因此在设计中,应该使外部电路最少,并减少外部电路在静态需要供电的部分。同时,还需要考虑以下问题:

1. 系统中单片机以外的其它器件尽可能选用静态功耗低的器件,如尽量选用CMOS芯片,少用双极性的晶体管门电路,因为双极性电路需要一个恒定的维持电流,增加了电路的静态功耗。

2. 按照芯片的要求,将不用的引脚接至地或者高电平,悬空的输入脚将会增大芯片的静态电流。

3. 在IO管脚上尽量少用上拉或下拉电阻,这些电阻将消耗一定的静态电流。

4. 数据采集的模拟部分的设计可以采用一种轨对轨(rail-to-rail)的BiCMOS运算放大器,如LMV824用于替代LM324时,电源可低至,单位带宽到5MHz,仅250μA/通道。

5. 设计外部器件的电源控制电路,使外部器件或设备在不工作时关断供电,减少无效功耗。低功耗器件的价格一般稍高一些,如果价格允许,通常都可以找到相应的低电压、低功耗的替代产品。

6. 多用电压驱动电路,少用电流驱动电路。例如,要显示运行结果、当前状态或控制信息,通常有LCD显示器、LED显示器两种选择。用LCD输出,一般只有几个微安的电流；而用LED则会有几十毫安的电流。

作者: 司栋森

车向泉

西安电子科技大学计算机学院