動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)微功耗技術(shù)研究

郭紅英,高 雁

(忻州師范學(xué)院物理與電子系,山西忻州 034000)

動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)通常都是放置在被測(cè)體內(nèi)部,無(wú)法從外界獲得電源,必須自帶供電設(shè)備,由于被測(cè)體空間的緣故,測(cè)試系統(tǒng)體積不能太大,電池體積也要盡可能小[1],這就會(huì)造成電池容量較小。因而測(cè)試系統(tǒng)在滿足測(cè)試要求的情況下,功耗要盡可能地實(shí)現(xiàn)微功耗。

1 低功耗元器件的選擇

數(shù)字電路的功耗:數(shù)字IC主要選用74HC系列高速COMS電路,或4000系列低速COMS電路,盡量少用74LS電路。通常存儲(chǔ)器的功耗和容量的關(guān)系不大,故無(wú)論從功耗角度還是體積角度應(yīng)盡可能選一片大容量存儲(chǔ)器而不是選多片小容量存儲(chǔ)器[2]。

模擬電路的功耗:選用單電源軌到軌運(yùn)放,選用可關(guān)斷或具有省電模式的A/D。

2 降低工作電壓

降低功耗一個(gè)非常有效的途徑就是降低整個(gè)系統(tǒng)的工作電壓。由公式P=U2/R可知,系統(tǒng)功耗與工作電壓的平方成正比,所以降低工作電壓是降低功耗的有效方法。即使不改變電路的結(jié)構(gòu),通過(guò)降低工作電壓就可以顯著地減少功耗。在這里,我們假設(shè)電路的主要結(jié)構(gòu)不變,將工作電壓從5V降低到3.3V就可節(jié)約56%的功耗,如果降低至2.5V,則可節(jié)約75%的功耗。因此,通過(guò)降低工作電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)微功耗是非常有效的[3]。但是系統(tǒng)的工作電壓是不能無(wú)限制降低的,降低電壓會(huì)影響電路的速度,同時(shí)電壓降低時(shí),引起的延時(shí)將導(dǎo)致電路性能的下降。只能在滿足電路性能的條件下降低電壓才有現(xiàn)實(shí)意義。

3 減小負(fù)載電容

系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)功耗與負(fù)載電容成正比,因此減小負(fù)載電容是降低整個(gè)系統(tǒng)功耗的又一有效途徑。在CMOS電路當(dāng)中,電容主要體現(xiàn)在兩方面:一方面是器件柵電容和節(jié)點(diǎn)電容,它們和器件生產(chǎn)工藝息息相關(guān);另一方面是連線電容。隨著生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn),器件電容越來(lái)越小,而電路結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜,導(dǎo)致布線電容已經(jīng)超過(guò)了器件電容。為了減小整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)載電容,在器件選擇上可以選擇小器件,PCB設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡可能減小連線長(zhǎng)度以及電路板上下平行布線。

4 電源控制技術(shù)

電源控制技術(shù)的主要設(shè)計(jì)思路為:在電路需要工作時(shí)進(jìn)行供電,不需要工作時(shí)停止供電,減小電路等待狀態(tài)的功耗。通常可采用單電池電源來(lái)實(shí)現(xiàn)多分支電源管理,達(dá)到系統(tǒng)各功能模塊相對(duì)獨(dú)立供電,待機(jī)狀態(tài)可以分別斷電,達(dá)到降低功耗的目的。電路開(kāi)關(guān)的選擇,應(yīng)選擇導(dǎo)通電阻小、開(kāi)關(guān)速度快、靜態(tài)功耗小、驅(qū)動(dòng)電流小的器件;及時(shí)關(guān)閉系統(tǒng)中閑置的部件,使其轉(zhuǎn)入低功耗的睡眠模式,可起到降低功耗的作用。

從功率時(shí)間因子的角度來(lái)看,降低某一狀態(tài)的功耗可通過(guò)減小該狀態(tài)的電流或縮短該狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。相對(duì)于數(shù)據(jù)待讀出態(tài),狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間應(yīng)盡量滿足測(cè)試要求,降低功耗只能依靠減小電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。從測(cè)試系統(tǒng)接通電源,經(jīng)過(guò)安裝等過(guò)程,到信號(hào)觸發(fā)開(kāi)始正式記錄工作,有效的記錄時(shí)間只占觸發(fā)前很短的瞬間。如果在通電后測(cè)試系統(tǒng)不馬上進(jìn)入待觸發(fā)狀態(tài),而是處于微功耗的接通電源態(tài),等到鄰近正式記錄前,再通過(guò)某種上電控制系統(tǒng)進(jìn)入待觸發(fā)狀態(tài),就可以極大地縮短待觸發(fā)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間,進(jìn)而極大地減小系統(tǒng)工作的功耗時(shí)間因子。

也就是說(shuō),將測(cè)試系統(tǒng)分為五種狀態(tài):接通電源態(tài)、待觸發(fā)狀態(tài)、觸發(fā)態(tài)、等待讀出態(tài)、讀出態(tài)。以放入式電子測(cè)壓器為例。接通電源態(tài)時(shí)關(guān)斷大部分電路的電源,只有狀態(tài)觸發(fā)器等少數(shù)電路工作。接通電源態(tài)是可持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間的微功耗狀態(tài) (幾個(gè)微安)。待觸發(fā)狀態(tài)和觸發(fā)態(tài)時(shí)電路各部件全部工作,功耗最大 (幾個(gè)毫安)。從接通電源態(tài)到待觸發(fā)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換由上電開(kāi)關(guān)的狀態(tài)決定[2]。觸發(fā)態(tài)后記錄一定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)后進(jìn)入等待讀出態(tài),等待讀出態(tài)大部分電路處于關(guān)斷電源狀態(tài),該狀態(tài)可持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間 (幾十個(gè)微安)。由此看出采用電源控制技術(shù)不僅解決了測(cè)試系統(tǒng)由于電池能量不足帶來(lái)的測(cè)試問(wèn)題,而且能更好地適應(yīng)被測(cè)系統(tǒng)的要求,使用上更加方便。

例如:某型號(hào)放入式電子測(cè)壓器,未使用電源控制技術(shù)時(shí),工作狀態(tài)的功耗如表1。

表1 未使用電源控制技術(shù)時(shí)工作狀態(tài)功能示意

從表1可見(jiàn),電路所需電池的總耗電量為450mA·h,從目前的電池原理及工藝看,電池體積都太大,無(wú)法滿足測(cè)試要求 (測(cè)壓器體積要求小于裝藥量的2%)。由于在等待觸發(fā)態(tài)電路的功耗最大,且大部分時(shí)間屬于無(wú)效工作狀態(tài),把等待觸發(fā)態(tài)分解為接通電源態(tài)和等待觸發(fā)態(tài)后,則各工作狀態(tài)的功耗如表2。

表2 采用電源控制技術(shù)后工作狀態(tài)功能示意

比較以上兩種情況,采用電源控制技術(shù)后電子測(cè)壓器的功耗降低為原來(lái)的1/65;選用容量70mA·h,最大工作電流7mA的小體積電池即可滿足電子測(cè)壓器再進(jìn)行10次測(cè)量。

上述技術(shù)的實(shí)現(xiàn)一方面靠的是電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì),另一方面靠各種上電開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。電路中采用多種電源需注意以下問(wèn)題:

由于電路中有多種電源供電,為了保證系統(tǒng)的可靠工作,需要采取一些措施[4]。以CMOS器件為例,在CMOS電路中存在著輸入端保護(hù)電路和輸出端保護(hù)電路。輸入端保護(hù)網(wǎng)絡(luò)有四個(gè)元件組成,一個(gè)多晶硅電阻R1,一個(gè)連接到VCC的二極管D1,一個(gè)是連接到地的擴(kuò)散二極管D2及電阻R2。這樣要求在進(jìn)行電源控制時(shí)要解決電路中不同供電部分的電氣相容性問(wèn)題,也即在系統(tǒng)部分?jǐn)嚯姇r(shí),斷電部分電路與其他部分電路不能發(fā)生電氣沖突,可通過(guò)電路的保護(hù)設(shè)計(jì)很好地解決這一問(wèn)題[5]。

5 進(jìn)行電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)注意的基本原則有:

(1)深入進(jìn)行功能分析,去掉多余的功能,簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)目標(biāo),可采用狀態(tài)圖的設(shè)計(jì)方法;

(2)測(cè)試系統(tǒng)降低功耗的一個(gè)重要原則,就是盡量用軟件替代硬件的原則。

這樣不僅簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì),而且對(duì)降低功耗也起到了重要的作用。例如可以使用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)接口電路中的串并轉(zhuǎn)換電路的功能,既簡(jiǎn)化了電路的硬件結(jié)構(gòu)節(jié)約成本,又減少了系統(tǒng)功耗。

[1]張文棟.存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的可靠性分析[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào),1994,8(2):12-15.

[2]祖靜,申湘南,張文棟.存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)[J].兵工學(xué)報(bào),1994(4).

[3]陳鴻.通用存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)控制器研究[D].太原:太原機(jī)械學(xué)院,1992.

[4]葛芬,吳寧.功耗優(yōu)化的片上網(wǎng)絡(luò)協(xié)同映射[J].應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào),2008,26(6):606-612.

[5]陳俊峰,楊向萍.基于MSP430F149的便攜式儀器的低功耗設(shè)計(jì)[J].集成電路應(yīng)用,2004(12):36-38.