淺談低功耗設計

周光森 史歡歡 張若南

摘要：電路里的大電流會使產品的壽命和可靠性降低，電源的動態壓降嚴重的時候還會造成失效。很多電子產品如智能手表等都是鋰電池供電，如果采用同樣容量大小的鋰電池進行測試，不難發現電子產品低功耗做的好的，工作時間越長。因此，低功耗設計在電子產品設計中占據重要地位。

關鍵詞：電池；低功耗器件；電路設計；程序設計

一、電池供電

在嵌入式系統的設計中，低功耗設計（Low-Power Design）是許多設計人員必須面對的問題，其原因在于嵌入式系統被廣泛應用于便攜式、移動設備、無線類儀表的產品中去，而這些產品往往是靠電池來供電，所以電池的選擇尤為重要。電池供電應該根據具體項目需求，選用可充電性電池或者是一次性電池，還要考慮其容量；體積、耐溫性能、自放電率、安全性等等。

二、低功耗器件

隨著半導體工藝的飛速發展和芯片工作頻率的提高，芯片的功耗迅速增加，而功耗增加又將導致芯片發熱量的增大和可靠性的下降。因此，功耗已經成為集成電路設計中的一個重要考慮因素。為了使產品更具競爭力，工業界對芯片設計的要求已從單純追求高性能、小面積轉為對性能、面積、功耗的綜合要求。而微處理器作為數字系統的核心部件，其低功耗設計對降低整個系統的功耗具有重要的意義。由于電子電路集成化的最大優點是能使復雜電路小型輕便，所以隨著便攜式儀器應用范圍的擴大，選擇器件時應注意以下幾點：

①選用具有低功耗特性的單片機可以大大降低系統功耗。可以從供電電壓、單片機內部結構設計、系統時鐘設計和低功耗模式等幾方面考察一款單片機的低功耗特性。

②系統中單片機以外的其他電路器件盡可能選擇靜態功耗低的器件；

③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。

三、電路設計

想要延長設備的電池壽命，電路的合理設計也是重要的環節。設計者至少需要掌握利用低功耗微控制器、傳感器、無線電和高功率電源等組件進行設計的技巧。特別是當設計越來越趨向小型和輕量化時，運用高效電源管理技巧來平衡電池的容量與尺寸也是至關重要的。此外，當電池電壓下降到較低水平時，選擇正確的升壓轉換器，輸出電壓高于源電壓的DC-DC轉換器可有效延長電池壽命。想要確保為電池供電設計選擇正確的升壓轉換器，需要考慮以下因素：

①靜態電流：越低的靜態電流越有利于延長系統待機模式下的電池壽命；

②真關斷模式：關斷時將電流輸出與輸入阻塞，提高效率、延長產品保存期限；

③輸入電壓范圍：允許利用幾乎耗盡的電池進行工作；

④效率：測量VIN、VOUT和IOUT，百分比越高，越有利于延長電池壽命。

此外，核心CPU低功耗性能直接影響著產品的最終性能，CPU晶振的工作頻率與功耗成正比，在滿足系統需求的情況下，盡可能降低晶振的頻率會大幅降低功耗。

四、程序設計

軟件對于低功耗系統的重要性常常被人們忽略。許多技術可以降低系統的功耗，通過合理的軟件程序設計。最常用的是Sleep模式。程序執行一條Sleep指令，便進入了休眠（Sleep）模式。在Sleep模式下，晶振停止振蕩，而此時CPU在3V電源條件下，只有1μA的電流。系統工作時，可以采用看門狗或外部事件周期性地喚醒CPU，從而達到降低功耗的目的。利用程序合理控制電路的工作流程，關斷一切可以關斷的芯片電源，以減少系統待機功耗，延長電池使用時間。對于CPU未使用的GPIO而言，應該將其設置為固定狀態，給出固定電平，且不可放任不管。更細致地降低功耗的軟件設計，可采取如下方法：

①用“中斷”代替“查詢”，使用中斷方式，CPU可以什么都不做，甚至可以進入等待模式或停止模式，而查詢方式下，CPU必須不停地訪問1/0寄存器，這會帶來很多額外的功耗；

②用“宏”代替“子程序”，宏會在編譯時展開，CPU只是順序執行指令，避免了調用子程序。因為CPU進入子程序時，會首先將當前CPU寄存器推人堆棧（RAM），在離開時又將CPU寄存器彈出堆棧，這樣至少帶來兩次對RAM的操作；

③盡量減少CPU的運算量，用查表的方法替代實時的計算，減少CPU的運算工作量，可以有效地降低CPU的功耗；

④讓1/0模塊間歇運行，不用的1/0模塊或間歇使用的1/0模塊要及時關掉，以節省電能，比如不用的控制外圍芯片可以關掉使能引腳。

五、結束語

一個成功的低功耗設計應該是硬件設計和軟件設計的結合。從硬件設計開始，就應該充分意識到低功耗應用的特性，選擇一款合適的單片機，設計系統方案；在軟件設計上，要考慮到低功耗編程的特殊性，并盡量使用單片機的低功耗模式。掌握了低功耗的設計，對設計產品有重大意義。