基于C8051F系列单片机的低功耗设计

1 引言

在控制终端系统设计中，当系统要求整体功耗偏低时，C8051系列单片机是一个最佳的选择，它们拥有灵活的时钟硬件，使系统能够方便地在高效运作模式与低功耗模式间进行转换，智能的电源管理模式能够在正常工作及待机状态自由切换，从而降低整个系统的能量损耗，当工作频率低于10kHz时，时钟丢失检测器（MCD）能够引发系统产生复位，确保系统工作的安全可靠。

2 C8051F各部分组件的功耗

当一个系统对功耗要求严格时，可以在硬件电路建立前首先粗略计算一下整个系统所需的功耗，由于C8051F系列单片机为数模混合SOC系统，能够实现整个设计的大部分功能，因此整个设计系统的功耗将主要集中在C8015F系列单片机的能量消耗上。

整个单片机系统的功耗应该由4部分组成，振荡器功耗、数字设备功耗、模拟外设功耗及I/O端口功耗，振荡器功耗包括内部振荡器的功耗以及外部振荡器功耗，数字设备能量消耗主要由CPU的工作模式，工作电压及系统时钟频率决定，温度与数字外围设备对数字设备的功耗影响很小，模拟外围设备功耗主要包含ADC，电压基准VREF、温度传感器、偏压发生器及内部振荡器，比较器也有少量的能量功耗。

2.1 振荡器功耗分析

外部振荡器具有很好的可配置性，为系统设计者提供了多种选择。时基信号可以从外部CMOS电平时钟源、晶振或陶瓷谐振器、RC组合电路或外部电容获得，每一种方法都有各自的优势，由于振荡器可以灵巧地在各种方式中转换，因此可以通过改变振荡器来降低功耗，对外部振荡器来说，外部CMOS时钟，电容和RC网络都能够提供较低的振荡频率。

（1）外部CMOS时钟

当工作于外部振荡器CMOS时钟模式时，外部振荡器驱动被关闭，电路功耗电流微小可以近似忽略，XTAL2输出的时基信号可以用作CPU、计时器、PCA或其他外围设备的时钟源，注意，即使在某一端口应用了高频信号，功耗仍只有少量的增加。

（2）外部晶振

外部晶振提供了最精确的时间基准，但随之而来的功耗在同一频率下也更高，外部晶振依赖于晶振频率和振荡器驱动电路（XFCN）。

（3）外部电容C模式

外部电容模式通过将一个电容连接到XTAL2为系统提供低功耗时钟，这是精度最差的一种时基方式，但同时也是最灵活的一种方式，只用一个电容元件就可以提供8种不同的工作频率，最高频率几乎可达最低频率的3000倍，可以通过改变在OSCXCN寄存器中的XFCN位改变其振荡的频率，并直接影响其输出的电流，外部电容方式下的时基精度主要由电容的误差和流过XTAL2的内部电流源的精度决定。

（4）外部振荡RC模式

RC模式与电容模式十分相似，区别在于外部电容方式下电容的充电电流由接到XTAL2的内部可编程电流源提供，并且在RC模式下充放电电路除了包含电容外还要通过一个外部电阻器。RC模式振荡电路的平均功耗由通过电阻器的平均电流所决定，电阻器上的压降成指数倍大小，其波形可以简化为三角波来估计平均值。

通常，设计者可以通过合理地选择时钟源达到降低功耗的目的，内部振荡器消耗数字电源电流的典型值为200μA，用于驱动外部振荡器的电流是变化的，对于一个外部振荡源（如晶振），驱动电流（由模拟电源提供）用软件通过配置外部振荡器控制寄存器OSCXCN的XFCN位来设置，在驱动电流较大时用户可以使用内部振荡器以降低功耗。

2.2 数字设备的功耗分析

数字设备的能量消耗主要是由CPU电流的大小来衡量的，CPU的电源模式是决定CPU电流大小、工作电压及系统时钟频率的关键因素，通常，温度和数字外围设备对数字设备的功耗只有很小的影响。

（1）CPU电源管理模式

CPU有3种操作模式：正常状态，空闲状态与停止状态。通常，空闲状态的平均电流值受控于内部振荡器，正常模式时的电流值减去空闲模式时的电流值即为CPU正常运行的工作电流值。当写1到IDLE位时，CPU结束指令周期进入低功耗模式，直到被中断或复位唤醒。在空闲模式下，所有的模拟与数字外围设备、存储器与内部寄存器都保持原来的值不变，被唤醒后，CPU开始从设置空闲方式选择位指令的下一条指令开始执行，当写1到STOP位时，CPU进入停机模式，设置停机模式后，当前指令被执行完毕，内部振荡器及所有的数字外围设备全部停止工作，模拟外设（如比较器与外部振荡器）保留其当前的状态。在停止状态，MCU消耗最少的电流。

（2）CPU工作电压、频率及温度对功耗的影响

工作电压：CPU的工作电流会随着供电电压的升高而增加，这种关系存在于任意一种工作频率下，尤其在高频运行时表现得更为明显，理论上提供电压最小可达到2.7V，但由于电压调整本身有±10%的误差率，因此系统通常供电电压不会低于3V。

温度：温度对系统的功耗无影响。

工作频率：CPU工作频率对系统功耗有主要影响，在CMOS数字逻辑器件中，功耗与系统时钟SYSCLK频率成正比：

功耗=CV2f

式中：C是CMOS的负载电容；V是电源电压，f是SYSCLK的频率。

因此，为了降低功耗，设计者必须知道给定系统所需的最高SYSCLK频率和精度，某些设计可能需要其系统时钟频率在全部工作时间内保持不变，在这种情况下，设计者将选择满足要求的最低频率，并采用消耗最低功耗的振荡器配置。