超低功耗电子电路系统设计原则

如Intel公司的80C31系列,Philips公司的51LPC系列、Microchip公司的PIC系列以及TI公司的MSP430系列等。虽然它们都采用了具有低功耗特点的CHMOS工艺,但新老产品在低功耗性能上又有很大差别。

　　由式(4)可以粗略地看出,如果单片机本身具有超低功耗特性,首先必须能在低电压和低频率之下工作。

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1列出了两种单片机(Intel的80C31和Philips的P87LPC764)的低功耗特性。

由表1可知,Intel公司的80C31和Philips的P87LPC764都有两种低功耗模式:空闲模式和掉电模式。在掉电模式下,80C31的电源电流为50μA,而P87LPC764的电源电流仅为1μA。

　　此外,TI公司的MSP430F135单片机具有低电源电压范围(1.8～3.6V)和低工作电流特性,如在主频32kHz/电源电压2.2V时工作电流为7μA;在1MHz/2.2V时工作电流为250μA。它可以工作在低时钟频率下,如32.768kHz;还具有5种低功耗模式,备用模式时为1.3μA,而选用第五种低功耗工作模式时,甚至能达到0.1μA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。

2.2 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。

　　MAXIM公司的一些IC产品,如运放MAX4131/2/3/4、比较器MAX987/991等;Philips公司的一些I2C器件,如PCF8574、PCF8563;还有ATMEL公司的24WC系列的I2C器件等都是μA级产品。现在各大IC生产厂商几乎都在这类产品上有所发展。

对于数字电路,一般都选HCMOS器件。仅从功耗角度考虑,对于74系列芯片可选用74HC或74HCT系列。后者比74LS系列的每门功耗小上百、上千倍。对于4000系列芯片也可选用HC或HCT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。

2.3 电源管理硬件设计

　　采用单电池电源实现多分支电源网络管理,使得系统各功能模块的电源相对独立供电,在不工作时可以分别断电,以节省功耗。

　　在供电控制方式中,选择具有可关断的DC-DC模块或电源总线开关。这样可以利用微机做到实时关断控制,有利于独立供电支路功耗的管理。

　　在供电控制方式中的总线电源开关要选择那些导通电阻小、静态功耗小、开关速度快、驱动电流小的器件,首选MOSFET。

　　对于系统中电源泄漏电流也要进行检查,包括系统电源泄漏、RC泄漏、分布电路泄漏、保护电路泄漏、意外泄漏等。其间还要耐心进行静态运行的全功耗测定与比较。此外还有电源关断的防泄漏,都要在电路设计中精心考虑,切实把系统功耗降到最低。

2.4 系统低功耗的运行管理

　　此部分强调软件的管理。结合硬件的设计,应消除程序的无谓循环等待。当系统不工作时,应使单片机及时进入低功耗或休眠模式。可选择关断CPU时钟或系统时钟,对时钟的控制要做到忙时多用、闲时少用、不用关闭的原则。对外围电路通过SHDN(关断)控制其工作时间。

　　选择尽可能低的工作频率作为系统时钟和信号频率。

　　结合硬件中外围模块的低功耗控制功能,分别利用软件控制外围模块电源的开启和导通。

　　对于显示器件,不用动态扫描方式,而用静态显示方式。显示过后,可以关掉显示,甚至关掉显示模块的振荡时钟。

　　对于可程控的数字量输出的IC管脚,因为考虑驱动负载能力,负载常接正电源。所以在不工作时,这些管脚要尽量控制输出为高电平。

　　最后还要提出一个重要原则,就是尽量用软件替代硬件的原则。这样不仅简化了硬件设计,而且对降低功耗也起到了重要的作用。

　　以上分别对CMOS电路特性和超低功耗电路系统硬件和软件设计中应遵循的一些原则进行了分析。除此以外,还有其它一些应注意的问题,如减少电路的分布电容,在工作正常的情况下最大限度地加大各通路的阻抗等等,不再赘述。