综合考虑低功耗的电路设计

最坏情况下，具有零内阻的开关器件会在电源与地之间形成直接短路的现象。

在CMOS电路中，最大的功耗来自于内部和外部电容的充放电，通常用W/Hz来表示每个门电路的功耗。据此，就可以计算后级的门或输出负载(包括电路封装和PCB导线)的电容充放电所需的功率。峰值电流I=C(V/T)，V约等于CMOS电路的电源电压，T是上升或下降沿时间，C是后级负载电容，因此峰值电流通常都比较大。平均开关功率P=C(V)2F，此时C是指输出端的负载电容，V是供电电压，F则是开关频率。

功耗的系统成本

系统功率越大，所需要的电源电压也越高，成本也就更昂贵，由此产生的影响涉及到电源总线、板上旁路电容、母板布线、电源线滤波器甚至电源电缆和熔丝等。另外，较大的供电电源需要更多的空间，因此可能会影响到系统的总体封装。

电池尺寸、重量和成本取决于系统对整体功率的要求以及每次充电所要求的工作时间。一般情况下，电池越大成本越高。备份电池和充电器在尺寸与重量方面可能与原设备相当，因此会严重影响设备的便携性。

供电可以用“美元/W”来表示成本。系统整体功率要求得越低，在电源方面开销就越少。同时小型电源产品占用空间小，自身功率消耗得也较少，因此会对系统整体功耗有益。

小型电子系统的热量管理要求许多不同的功能，但也许不容易做到。因为，系统可能没有足够的空间或电力来放置冷却元件，而一些系统也许不能容忍冷却元件引起的噪声以及电子噪声。封装外形的限制也可能迫使所有产热元件集中在一个小块区域，这样会加重散热问题，当一个发热的塑料外壳电子设备置于膝上时，用户可能会感到不舒适。为了进行散热而使设备敞开运行对在线操作(line-operated)系统来说也是不允许的，对销往欧洲的系统尤其如此。

其它问题包括风扇与另外一些散热元件的成本，当需要加速空气流通时成本也会相应增加；散热器与排热管有助于热源热量的散发，但仍需将热量从系统中排除出去。

低成本的塑料封装不能适应高集成度IC的高功率特性要求，这迫使其采用具有热量管理功能的昂贵封装或其它更复杂的冷却系统。

低功率电路的实现方案

IC工业正寻求多种途径来满足低功率系统要求，其中一个途径是将数字器件的工作电压从5V变为3。3V，将模拟器件的电源电压从±15V变为5V单电源。这些改变归功于先进的硅片技术与电路结构。Atmel公司市场部副总裁Katz说，未来数字芯片工作电压的发展趋势将是2。5V、1。8V甚至更低的电压，它们均是0。9V(电池电压的最低极限)的倍数。器件的复杂度、更高的工作频率和器件物理性质将共同促进这一发展趋势，届时亚微米几何尺寸的更小型器件所具有的较薄氧化层将难以承受更高的电源电压。

ASIC厂商为满足低功率系统要求，还会采取在产品中增加3V内核单元和宏的方法。这些产品经过优化能同时工作在3V或5V电源下，并具有相同的性能指标，利用特殊的接口单元，它们仍保留有5V电源接口。据ATT贝尔实验室的Harrington说，影响供电电压快速更新换代的最大障碍在于，现有的大量系统都采用5V电源，这些系统要求产品保留与其它5V(TTL)接口的后向兼容性。

此外，在系统设计中，粗略评估速度，并在可能的情况下适当改变元件的选择，也可以降低功率。

下列方案可供选择：

1。降低工作电压。当电压从5V降低为3V时功耗将减少60%。
2。采用智能电源。在系统中增加适当的智能预测、检测，并仅在需要时才对系统供电。许多膝上型电脑及其电源管理就具有这种特殊的机制，只给需要工作的电路加电，并在不必要时降低时钟速率。
3。采用较低的时钟速率。由于CMOS电路中功率是开关频率的函数，因此较低的时钟速率下器件的功耗也较小。
4。对输入信号作出限制。在模拟电路(包括A/D转换器)中，限制输入信号的带宽有助于减少对高速电路的要求，如果有可能降低A/D转换器的速率，也能减少功耗。
5。对I/O进行设置，使它只在工作时消耗功率。但从不工作状态到工作状态的转换需要较长的时间，另外一个副作用是可能产生与输出电路有关的额外漏电流，使输出电压降至电源的一半，并使其它输出电路处于很高的漏电交叉工作区域。
6。扩大输出范围。对于许多ASIC来说，设计输出电路仅用于驱动一个标准IC。通过重新调整电路使其足以驱动封装和板上的寄生元件，并留出风扇负载的安全余量，这样可以减小输出电路尺寸和功率。
7。改用其它技术。BiCMOS电路综合了CMOS器件和双极性器件的优点，它是工艺复杂性更高以及成本更高的最佳折衷方案。GaAs器件也能满足较低功耗和较高速度的要求，适用于那些以速度为主要设计目标的高价系统。