以單片機為核心的電路低功耗設計

徐蛟

【摘要】隨著社會的發展，人類對便攜式設備、物聯網設備、可穿戴設備等的需求大大增加，而這些設備的續航要求也越來越高，必須對其進行低功耗設計。大部分低功耗設備都以單片機為控制核心，本文分析了電路系統中的功耗模型，并從硬件和固件兩個角度分析了單片機電路低功耗設計的方法。

【關鍵詞】單片機；低功耗；睡眠模式；電源管理

一、單片機電路系統功耗

低功耗電路是在CMOS集成電路的基礎上發展起來的，要分析功耗，應從CMOS集成電路的原理著手。CMOS電路功耗包含動態功耗和靜態功耗。靜態功耗即為電源電壓和電流的乘積，在系統電源加大時，對應的電流也會加大；動態功耗包含瞬時導通功耗和電容充放電功耗。瞬時導通功耗是指電路在信號轉換時，P溝道管和N溝道管同時導通而形成一個回路，回路電流產生的功耗。當電路工作的頻率越高，則CMOS管導通頻率越高，瞬時導通功耗越高。系統電壓越高，CMOS管導通時的電流越大，瞬時導通功耗也越大。當電路輸出端邏輯電平改變時，輸出端電容伴隨著充放電過程。當輸出端由邏輯低電平變成邏輯高電平時，系統電源會通過導通的P溝道電阻對輸出端電容充電，而當輸出端由邏輯高電平變成邏輯低電平時，輸出端電容會通過導通的N溝道電阻放電，這種充放電過程會產生功耗，即為電容充放電功耗。將電容充放電電流與電源電壓積分，可計算出電容充放電功耗P。假如電容大小為C，充放電頻率為f，系統電源為VDD，則P=fCVDD2。由式可知，電容充放電功耗與電路工作頻率、電容大小，和系統電壓大小都成正比。

二、單片機硬件電路設計方法

（一）低功耗單片機選型

TI公司MSP430系列單片機在功耗設計上較優良，一般為低功耗設計時的首選單片機；意法半導體公司推出的STM32L4+系列低功耗單片機也有較好的市場反響，其實現超低功耗的同時也追求高性能。越簡單的單片機，其功耗越小，在選型單片機時注意夠用就好，譬如單片機ROM和RAM過大時，其能耗也將大大增加，因為每個存儲單元都是由CMOS構成，即使不使用，其上也會消耗電能。

（二）系統供電電壓的選擇

系統供電電壓大小是系統功耗最重要的指標。以前51單片機都采用與TTL兼容的5V電壓供電，現在主流單片機已降到3.3V供電。隨著半導體工藝的不斷發展，CMOS電路的門限電平越來越低，需求的供電電壓越來越低，后續1.8V供電的芯片將成為主流。對于低功耗設計，供電電壓越小則系統功耗越小，應盡量選擇低供電電壓。

（三）系統電源管理

電源芯片一般有兩種類型：開關電源和線性電源。對于線性電源，其噪聲較小，但輸入輸出上的壓差會造成能量損耗。開關電源效率較高，很多芯片能量轉換效率達95%以上。在低功耗設計中，電源部分應首選開關電源。針對單片機電路的外圍各功能模塊，可設計成獨立供電的模式，需要使用相應功能時就對其供電，不需要時則關閉供電。獨立供電的模式可通過單片機管腳控制MOS管開關來實現。

（四）系統時鐘選擇

系統運行頻率快，則系統性能高，但由上文可知，運行頻率越快，系統的動態功耗越大。在滿足系統性能的同時，應盡量使用低頻率時鐘。對于單片機，在運行中可根據功能需求，切換其工作時鐘。

三、單片機固件設計方法

（一）及時進入低功耗模式

以STM32L4+系列單片機為例，該單片機提供了豐富的低功耗模式，包含睡眠模式、兩種停止模式、兩種待機模式和關斷模式等等。系統空閑或不工作時，應使單片機及時進入相對的低功耗模式，并在固件中設置其喚醒的事件或中斷。

（二）減少單片機的運算量

單片機運算量越大，其功耗越大。在固件設計時，對一些已知量可以設定成常量。對于運算公式中常量的計算，可以在程序里先計算出定值，譬如計算圓的周長為2πr，可以直接寫成6.28r。對一系列的運算結果可預先算好制成表存放在Flash中，讓單片機查表。對于必須處理的實時計算，注意計算精度，只計算到需求精度就結束。數據計算時首選加減法，后考慮乘除法，在乘除法選擇時選擇乘法而不選擇除法，能夠進行移位運算代替乘除法時，優選移位運算。

（三）多使用中斷或DMA方式

固件設計應盡量不使用查詢的方式，相比于中斷，單片機不斷的查詢會產生較大功耗。在中斷或DMA模式下，單片機空閑后便可進入睡眠等低功耗模式，等待中斷的喚醒。

（四）其他設計要點

單片機讀Flash會比讀RAM節省功耗，在固件設計中，應多進行宏定義，即可降低功耗，也便于程序的維護升級。設計電源管理程序配合硬件按需求對各功能塊進行供電；對于外圍器件有顯示設備的，不要動態掃描，而使用靜態顯示方式。對于外圍器件有按鍵的，也不要動態掃描，盡量設置按鍵中斷方式。能夠固件處理的事情，盡量用固件，不要加外圍電路處理。

四、結語

對于單片機電路的功耗設計是一個系統工程，應綜合考慮硬件和固件的設計。低功耗和高性能的需求常常是一對矛盾體，設計時需在兩者間折中。本文針對單片機電路，從硬件和固件的角度提出了一些較實用的低功耗設計方法。

參考文獻

[1]徐曉磊.單片機系統的低功耗設計與應用[J].電測與儀表，2000，418（37）：28～31.

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