超低功耗电子电路系统设计原则

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加而增加， 并 且 与 脉 冲 电 流 的 波 形 有 关 。如 果 电 流 波 形 峰 值 大 ， 过 渡 过 程 中 导 通 持 续 时 间 长 ， 则 #%* 增 大。影响电流脉冲波形形状的因素比较多， 例如， 输 入 电 压 $ ! 跳 变 过 程 较 慢 ， 则 脉 冲 电 流 ) %* 持 续 时 间 就比较长； 而 (:; 晶 体 管 的 开 启 电 压 低 、 跨导大， 则 脉 冲 电 流 ) %* 的 峰 值 也 大 。 第二是电容充放电功耗。电路输出端逻辑电平 的 改 变 总 是 伴 随 着 输 出 电 容 *- 的 充 放 电 过 程 。 以 带 有 负 载 电 容 *- 的 互 补 电 路 的 输 出 端 为 例 ， 由 逻
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由此可见， #%* 随 着 电率 , 的 增
表 ’ 两种单片机的功耗比较
符号 参数 电源电流， 工作模式 电源电流， 工作模式 电源电流， 空闲模式 电源电流， 空闲模式 电源电流， 掉电模式 电源电流， 掉电模式 测试条件 典型值 型号
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（ 1）
由此看出， 这 部 分 功 耗 主 要 取 决 于 外 部 使 用 条 件 ,、 而与电路内部本身参数几乎无关。 * - 和 $ "" 三 个 参 数 ， 从 以 上 对 /(:; 电 路 的 功 耗 分 析 可 以 看 出 ， 系 统 的 总 功 耗 与 系 统 的 电 源 电 压 有 很 大 关 系 。而 动 态 功 耗 除 了 与电源电压的平方有关外，还与其工作脉冲重复频率、 脉冲波形以及输出容性负载有关。
+(+ 外 围 器 件 的 选 择
作为一个完整的电路系统， 如果要整个系统的功耗 都得以降低， 单靠单片机本身并不能完成， 其外围元器 件的选择也相当重要。在模拟电路方面， 在满足其性能 要求的同时， 尽量选用与单片机工作电源相匹配的低电 源产品以及专为低功耗系统设计的器件。
(-O>( 公 司 的 一 些 >/ 产 品 ， 如 运 放 (-O1’$’ N " N $ N 1 、 比 较 器 (-OP.3 N PP’ 等 ； 2CDBDEF 公 司 的 一 些 > " / 器 件， 如 2/K.%31 、 还 有 -J(Q4 公 司 的 "1R/ 系 2/K.%+$ ； " 列 的 > / 器 件 等 都 是 ! - 级 产 品 。现 在 各 大 >/ 生 产 厂 商
—— 静 态 功 耗 ， !#— （ ! # "& ##・’ ## !） —— 动 态 功 耗 ， !% — （ ! % "! () $! ) 7 & ##・’ () $*) + & & ## &） —— 瞬 时 导 通 功 耗 ! () — —— 输 出 电 容 充 放 电 功 耗 !) — —— 工 作 电 源 电 压 & ## — —— 静 态 时 由 电 源 流 向 电 路 内 部 的 电 流 ’ 88 — —— 脉 冲 电 流 的 时 间 平 均 值 ’ 1* — —— 输 入 脉 冲 重 复 频 率 *— —— 电 路 输 出 端 的 负 载 电 容 )+— 式（ 为静态功耗表达式。其中， 静 态 功 耗 电 流 ’ ## !） 值 常 用 于 评 价 电 路 的 静 态 功 耗 大 小 。它 以 电 路 中 流 经 各 而 且 它 与 电 源 电 压 & ## 有 关 ， 9: 结 的 反 向 漏 电 流 为 主 ， 随 着 & ## 的 加 大 ， ’ ## 亦 增 大 。 式（ 为总的动态功耗表达式。动态功耗体现在电 &） 路 进 行 逻 辑 状 态 转 换 过 程 中 内 部 消 耗 的 功 率 。 对 *+,电路来说， 动态功耗反映了输入信号出现变化时所形成 的功耗增量。动态功耗表现在以下两方面： 第一是瞬时导通功耗，即在信号状态转换过程， 某 一回路（ 如互补电路） 的 9 沟道和 : 沟道晶体管同时导 通， 由电源流经两个导通沟道的电流所消耗的功率。 当 输 入 脉 冲 电 压 的 幅 度 大 于 9+,- 和 :+,- 两 个 开 启电压的绝对值之和时， 将在上升沿和下降沿产生瞬时 导通功耗， 如图 ! 所示。
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《 电子技术应用》&%%’ 年第 & 期
集成电路应用
也 满 足 6 $ ""’$ ! 789 $ %#9 的 条 件 ， 因 此 从 $ "" 到 $ (( 之 间 $ %& ， 有 瞬 时 导 通 电 流 ) %* 通 过 。而 这 些 瞬 时 导 通 电 流 在 整 个 信 号 周 期 内 的 过 渡 过 程 时 间 的 平 均 值 形 成 ! %* ， 从而有： 其次， 还要看单片机自身的特性。例如是否是面向 超低功耗应用而设计的单片机，它具有几种休眠模式、 工作电流大小为何、 休眠电流大小为何等。 表 ’ 列出了两种单片机（ >?@AB 的 .#/$’ 和 2CDBDEF 的 的低功耗特性。 2.342/3+1 ）
几乎都在这类产品上有所发展。 对于数字电路， 一 般 都 选 )/(:; 器 件 。仅 从 功 耗 角 度考虑， 对 于 31 系 列 芯 片 可 选 用 31)/ 或 31)/J 系 列 。 后 者 比 314; 系 列 的 每 门 功 耗 小 上 百 、 上千倍。 对 于 1### 系 列 芯 片 也 可 选 用 )/ 或 )/J 系 列 。 最后就是显示屏， 自然也要选那些低电源电压和低 功耗产品。
+ 超低功耗系统设计原则
通过以上分析，可以总结出超低功耗系统的设计 原则。在设计超低功耗系统时， 要对电源电压、 时钟频率 以 及 静 态 功 耗 进 行 控 制 。这 就 形 成 了 电 源 宜 低 不 宜 高 、 时 钟宜慢不宜快、 系统（ 器件） 宜静不宜动的“ 三相宜” 原则。 结合三相宜原则， 对硬件及软件设计时要注意以下 四个问题： ・微 处 理 器 (/= 的 选 择 ・>/ 器 件 的 选 择 ・供 电 管 理 硬 件 设 计 ・系 统 低 功 耗 的 运 行 管 理
图 中 ， 假 设 两 个 +,- 晶 体 管 的 开 启 电 压 分 别 为 & (, 和 & (!， 并 且 满 足 & ##; & (,<= & (!= 的 关 系 。 输 入 电 压 由 逻 辑 低 电 平 过 渡 到 逻 辑 高 电 平 ， 在 -! 至 -& 期 间 ， 既 满 足 & ’;
! "#$% 集 成 电 路 的 功 耗 分 析
无 论 是 低 功 耗 还 是 超 低 功 耗 .* ， 主 要 还 是 建 立 在
*+,- 电 路 基 础 上 的 。虽 然 超 低 功 耗 .* 对 单 元 电 路 进 行 了 新 形 式 的 设 计 ， 但 作 为 功 耗 分 析 ， 仍 然 离 不 开 *+,电 路 基 本 原 理 。以 /0 系 列 为 代 表 的 112 集 成 电 路 ， 每门 的 平 均 功 耗 约 为 !%34 ； 低 功 耗 的 112 集 成 电 路 ， 每门 每门平均 平 均 功 耗 只 有 !34 。/0 系 列 高 速 *+,- 电 路 ， 功 耗 约 为 !% ! 4 ； 而 超 低 功 耗 *+,- 通 用 小 规 模 .* ， 整 片 的 静 态 平 均 功 耗 却 可 低 于 !% ! 4 。 传 统 的 单 片 机 ， 休 眠 电 流 常 在 #% ! 5 $&35 范 围 内 ； 而 超 低 功 耗 的 单 片 机 休 眠 电 流 可 达 到 !!5 以 下 。 *+,- 电 路 的 动 态 功 耗 不 仅 取 决 于 负 载 ， 而 且 就 电
由表 ’ 可知， >?@AB 公司的 .#/$’ 和 2CDBDEF 的 2.342/3+1 都有两种低功耗模式： 空闲模式和掉电模式。在掉电模 而 2.342/3+1 的 电 源 式下， .#/$’ 的 电 源 电 流 为 %# ! - ， 电 流 仅 为 ’!- 。 此外， J> 公 司 的 (;21$#K’$% 单 片 机 具 有 低 电 源 电 压范围 （ ’5. L$5+& ） 和 低 工 作 电 流 特 性 ， 如 在 主 频 $"M)* N 电 源 电 压 "5"& 时 工 作 电 流 为 3 ! - ； 在 ’()* N "5"& 时 工 作 电 流 为 "%# ! - 。 它 可 以 工 作 在 低 时 钟 频 率 下， 如 $"53+.M)* ； 还具有 % 种低功耗模式， 备用模式时 为 ’5$ ! - ， 而选用第五种低功耗工作模式时， 甚至能达 到 #5’ ! - 的 休 眠 电 流 。 总之，低电源电压和低时钟频率都对单片机的选择 有很大的影响，再加上各种单片本身所具有的低功耗特 性， 选择合适的单片机对降低整个系统的功耗大有益处。
集成电路应用
超低功耗电子电路系统设计原则
天津河北工业大学机械学院（ ’%%!’% ） 徐 建 平 耿 世 钧 马 廷 锋 曹 晓 华
摘 要 ： 立 足 于 *+,- 集 成 电 路 的 功 耗 分 析 ， 指 出 了 超 低 功 耗 电 子 电 路 设 计 中 必 须 遵 循 的 几 项
原则， 分 别 说 明 了 硬 件 和 软 件 设 计 中 应 该 注 意 的 几 个 问 题 。 指 出 以 新 型 超 低 功 耗 .* 为 基 础 的 便 携 式 仪表将面临一个快速发展的时期。 关键词： 超低功耗设计