文档介绍：? 2013 Microchip Technology Inc. 第 1 页 AN1416 简介在未来的嵌入式系统市场中,低功耗应用将占据很大的份额。每年都有越来越多的设计人员被要求提供便携、无线和节能的产品设计。本文全面阐述了低功耗嵌入式系统的设计基础,以期降低向低功耗应用过渡的难度。本文讨论的示例侧重于从单片机( MCU )的角度分析功耗。作为应用的“大脑”, MCU 通常功耗最大,对系统功耗的影响也最大。与所有设计一样,低功耗嵌入式系统设计人员必须在功耗和其他因素(如成本、尺寸和复杂性)之间进行综合考虑。尽管有些低功耗技术不会增加系统成本,但有些却可能需要设计人员做出取舍。本指南将给出若干需要进行取舍的示例。但是,我们无法讨论所有需要取舍的情况,因此嵌入式设计人员始终应考虑节能技术对整个系统的影响。本设计指南将提到 PIC ? MCU 上可用的低功耗模式, 但不会对这些特性进行详细说明。有关 PIC MCU 器件上 可用低功耗模式的信息,请参见 AN1267 《纳瓦技术和 nanoWatt XLP?技术: Microchip 低功耗器件简介》 ( )。低功耗基础知识低功耗的定义因应用的不同而存在很大差异。在一些系统中,工作能源已经足够,但低功耗设计人员想要努力降低运行开销或提高运行效率。在另一些应用中,只能提供有限的电源(如纽扣电池), 这决定了系统的功耗要求。要降低这些系统的功耗,侧重点也各不相同, 因此非常有必要弄清楚功耗的分布情况以及设计高效的低功耗系统应当从何处着手。主要功耗源在 CMOS 器件(如单片机)中,总功耗可以分为两大类: 动态功耗和静态功耗。动态功耗是单片机在运行和执行编程的任务时消耗的功率。静态功耗是只对器件供电,但不运行代码时消耗的功率。动态功耗动态功耗是 MCU 正常工作时消耗的电流。它包括开关 CMOS 电路时造成的功率损失以及器件的有源模拟电路(如 A/D 或振荡器)中偏置电流造成的功率损失。要了解开关损耗的来源,请参见图 1 所示的 CMOS 反相器。图 1 : CMOS 反相器动态功耗路径该反相器在输入为 V DD 或 V SS 时没有或只有很少的功耗。但是,如果信号从 V DD 切换为 V SS ,则过渡期间 PMOS 和 NMOS 会在线性区域内产生偏置,从而产生 V DD 到地的电流。还需注意的是,在实际系统中,输出总线上会有一定量的负载电容。逻辑电平发生变化时, 该总线电容的充电和放电会产生额外的电流消耗。作者: Brant Ivey ? Microchip Technology Inc. V DD 输出输入低功耗设计指南 AN1416 第 2 页? 2013 Microchip Technology Inc. 因单个门电路的动态开关损耗产生的平均功耗可通过如下公式计算: 公式 1: 动态功耗其中, V代表系统电压, f代表开关频率, C代表负载电容。注意,此公式仅适用于单个 CMOS 器件,不适用于整个 MCU 。考虑整个 MCU 时,需要在此公式上乘一个比例因子( ?),该因子根据器件中全部门电路的开关频率的不同而有所不同。公式 1揭示了控制动态功耗的几个重点。首先需要考虑电压,电压项在公式中是以平方形式出现,因此它是对动态功耗影响最大的因素。降低系统工作电压可以显著降低功耗。另一个需要考虑的重点是,可以对系统中哪个部分进行修改。每一个嵌入式系统的要求都不同,这也限制了设计人员调整电压、频率或负载电容的能力。例如,嵌入式系统的设计人员无法自由控制内部负载电容 C 。该电容取决于 MCU 的内部走线与设计。 MCU 制造商可决定是否利用适当的低功耗 IC 设计技术(如门控时钟信号)来限制负载电容的开关频率。系统设计人员则只能通过使能或禁止各 MCU 功能对内部负载电容加以控制。精明的低功耗设计人员应确保程序运行过程中,始终仅使能当前需要的 MCU 功能并关闭其他所有功能。设计人员可以控制传送到 I/O 引脚的信号的外部负载电容。这些电容可能比器件的内部电容大得多,从而产生显著的损耗。因此,设计人员检查数字开关的杂散电容设计就非常重要。有关 I/O 低功耗设计技术的详细信息,请参见“硬件设计”部分。工作电压主要取决于 MCU 的制造加工工艺。随着制造工艺的几何尺寸的缩小,工作电压以及器件的动态功耗都将继续降低。嵌入式系统设计人员可据此选择工作电压较低的 MCU 。但是,如果最低系统电压由系统的其他部分(如传感器或通信接口)决定,则需在成本和功耗之间进行取舍。此时需要加配 MCU 电源稳压器,但这会提高系统成本。有趣的是,在某些情况下,若允许移除稳压器,以更高的电压运行会更节电。此时,稳压器中的功率损耗高于在较高电压下工作而增加的动态电流损耗。频率通常是影响动态功耗的因