基于單片機的電池供電設備的微功耗設計策略淺析

　　基于單片機的電池供設備設計中，單片機芯片的工作電壓、頻率設置、工作模式設置都將影響系統(tǒng)的整體功耗，此外，減少外圍電路以及合理的外圍電路設計也是影響功耗的關鍵因素。本文結合在便攜儀表的設計闡述了低功耗設計的單片機選擇策略和外圍電路設計思路。

　　在預付費式水表、氣表、熱表、數(shù)字流量計等應用中，一般采用電池供電。合理地設計這些單片機系統(tǒng)，可以在不換電池的情況下，能連續(xù)工作數(shù)年時間。要滿足這些要求必須在設計中解決好單片機系統(tǒng)的微功耗問題，必須從單片機的選擇、單片機的設計與使用、外部電路的設計以及電源供電方面綜合考慮。

　　對于大部分單片機系統(tǒng)，由于單片機的運行速度很快，單片機在工作的過程中有大量的空閑等待時間。在某些情況下，系統(tǒng)的等待時間甚至可以達到總工作時間的95%以上。在等待過程中，單片機不作任何工作，只是在踏步等待，或者在循環(huán)判斷有無新的外部請求。在這個過程中，可以讓單片機內(nèi)部的大部分電路工作在休眠狀態(tài)，可以大大地降低單片機的功耗。同時，也可以讓有關的外部電路工作在休眠狀態(tài)，這樣就使整個產(chǎn)品的供電大大降低。產(chǎn)品的這種非連續(xù)工作的特點是微功耗設計的基本思路，此外，還要根據(jù)產(chǎn)品的特點醉意更多的設計細節(jié)。

　　選擇合適的CPU芯片是微功耗設計的關鍵

　　目前的單片機種類很多，而且大都針對某一個特定的應用，可根據(jù)具體應用情況選擇合適的單片機。在需要進行微功耗設計的應用中，可以根據(jù)下面的規(guī)則來選擇：

　　1. 選擇盡可能減少外部電路的單片機。隨著集成電路工藝技術的飛速發(fā)展，真正單片化的單片機系統(tǒng)已逐步成為主流產(chǎn)品。

　　2. 注意比較工作電流和靜態(tài)電流。由于工藝的不同，單片機內(nèi)部工作電流、靜態(tài)電流不盡相同，有的甚至相差很大。在選擇單片機時，不但要考慮其工作電流，還要仔細考慮其在休眠狀態(tài)下的靜態(tài)電流。

　　3. 通過比較可以看出，選用專用的低功耗單片機，可更加靈活地控制其功耗，在滿足設計要求的前提下使其盡可能工作于最省電的模式。

　　4. 選擇合適的ROM、RAM。一般來講，存儲器越大功耗也越大。在滿足設計要求的情況下，盡可能使用單片機內(nèi)部的ROM、RAM。

　　5. 選擇合適的工作時鐘頻率。在較低的時鐘頻率下，單片機的功耗也較低。以MSP430F1121為例，當工作在1MHz的主頻之下，典型電流消耗為300uA；而工作在4096Hz的主頻之下，其電流只有3uA。

　　6. 選擇合適的IO管腳數(shù)，和合適的IO驅(qū)動能力和顯示驅(qū)動能力。單片機驅(qū)動的IO管腳數(shù)越多，其功耗也就越大。

　　7. 選擇合適的單片機，實現(xiàn)真正意義上單片化，可以省去了大量的硬件開發(fā)調(diào)試工作，提高了工作效率，系統(tǒng)的可靠性、抗干擾能力得到了顯著的改善，同時使系統(tǒng)成本降低，更加適合微型化和便攜化，對降低系統(tǒng)功耗有著決定性的作用。

　　低功耗設計策略

　　a. 使內(nèi)部電路可選擇性地工作

　　一般，設計中不會用到全部的單片機內(nèi)部電路，而那些沒有用到的電路將產(chǎn)生額外的功耗。在需要進行微功耗設計的應用中，可以通過對內(nèi)部特殊功能寄存器編程，選擇使用不同的功能模塊，對于不使用的功能模塊使其停止工作，減少系統(tǒng)無效功耗。

　　b. 產(chǎn)品的低電壓設計可以降低產(chǎn)品功耗

　　一般，單片機的工作電壓越高，內(nèi)部晶體管在放大區(qū)的工作時間也越長，單片機的功耗也就越大。由于采用先進的芯片生產(chǎn)工藝，使單片機的電壓范圍一般很寬，如可以在1.8V～5V電源電壓范圍內(nèi)正常工作。為了降低系統(tǒng)功耗，可盡量采用低電壓設計。

　　單片機供電電壓范圍的放寬，可以進一步拓寬單片機的應用領域，尤其是便攜式或掌上型設備中，可以放心地使用電池作為電源，而不必關心放電過程電壓曲線是否平衡、在低電壓下是否會影響單片機正常工作，更不必因電池供電而專門增加穩(wěn)壓電路，從而可減少大量的功率消耗。

　　c. 在空閑狀態(tài)時，采用低速時鐘信號

　　單片機的功耗與其工作頻率成正比，系統(tǒng)運行頻率越高，電源功耗就會相應增大。圖1所示為Philips公司的80C31單片機Vcc上的電流與主時鐘頻率的關系曲線，可以看出隨著單片機主時鐘頻率的增加，其Vcc上的電流也呈線形增加，則其功耗也隨著主時鐘頻率的增加而增加。

　　為更好地降低功耗，在許多單片機的內(nèi)部集成了兩套獨立的時鐘系統(tǒng)，即高速的主時鐘和低速的副時鐘，在不需要高速運行的情況下，可選用低速的副時鐘，維持內(nèi)部基本的定時要求。某些單片機的主時鐘也可通過功能寄存器來重新設定，在滿足功能需要的情況下，按一定比例降低主時鐘頻率，以降低電源功耗?？稍诔绦蜻\行的過程中，通過軟件對特殊功能寄存器賦值在線改變時鐘頻率，或進行主時鐘和副時鐘切換。

　　d. 盡可能工作在休眠模式

　　為降低功耗，通常單片機都提供多種工作模式，當處于空閑時進入休眠模式，當有一個事件提出中斷請求時，可以快速地返回到正常的運行模式，這樣既可以保證系統(tǒng)節(jié)電，又不影響正常的工作。

　　不同的單片機會有不同的工作模式，如51系列的單片機有空閑模式和掉電模式。在不同的工作模式中，單片機內(nèi)核中某些功能模塊將設置為休眠狀態(tài)。如MSP430系列單片機有6種不同的工作模式，除了一種是正常的運行模式(active mode)以外，其余五種均是低功耗模式，在這些模式下可以分別將CPU、內(nèi)部時鐘、內(nèi)部總線、直至內(nèi)部晶振全部關閉，使單片機的耗電降為最小。只有發(fā)生中斷請求或復位時，系統(tǒng)被喚醒進入正常運行模式。

　　外部電路的微功耗設計

　　單片機周邊電路的微功耗設計十分復雜，對產(chǎn)品的整體耗電而言也非常重要。復雜，龐大的周邊電路將會帶來很大的電源消耗，因此，應盡量少選用外部電路，盡可能利用單片機內(nèi)部的資源。

　　作為一個用電池供電的設備而言，其靜態(tài)功耗最好為幾微安～幾十微安，由于這部分電流是在待機狀態(tài)下加在設備上，是常供電電流，在系統(tǒng)不工作的情況下將造成很大的電能浪費。因此在設計中，應該使外部電路最少，并減少外部電路在靜態(tài)需要供電的部分。同時，還需要考慮以下問題：

　　1. 系統(tǒng)中單片機以外的其它器件盡可能選用靜態(tài)功耗低的器件，如盡量選用CMOS芯片，少用雙極性的晶體管門電路，因為雙極性電路需要一個恒定的維持電流，增加了電路的靜態(tài)功耗。

　　2. 按照芯片的要求，將不用的引腳接至地或者高電平，懸空的輸入腳將會增大芯片的靜態(tài)電流。

　　3. 在IO管腳上盡量少用上拉或下拉電阻，這些電阻將消耗一定的靜態(tài)電流。

　　4. 數(shù)據(jù)采集的模擬部分的設計可以采用一種軌對軌(rail-to-rail)的BiCMOS運算放大器，如LMV824用于替代LM324時，電源可低至2.5V，單位帶寬到5MHz，僅250μA/通道。

　　5. 設計外部器件的電源控制電路，使外部器件或設備在不工作時關斷供電，減少無效功耗。低功耗器件的價格一般稍高一些，如果價格允許，通常都可以找到相應的低電壓、低功耗的替代產(chǎn)品。

　　6. 多用電壓驅(qū)動電路，少用電流驅(qū)動電路。例如，要顯示運行結果、當前狀態(tài)或控制信息，通常有LCD顯示器、LED顯示器兩種選擇。用LCD輸出，一般只有幾個微安的電流；而用LED則會有幾十毫安的電流。

參考文獻:

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