基于单片机的电池供电设备的微功耗设计

公子相

要设计一个低功耗的单片机系统，需要从硬浸和软件两方面入手。
1、硬浸设计
选用尽量简单的CPU内核。在选择CPU内核时切忌一味追求性能。选择的原则应该是“够用就好”。8位机够用，就没有必要选用16位机。一般来说，单片机 的运行速度越快，功耗也越大。一个复杂的CPU集成度高、功能强，但片内晶体管多，总漏电流大，即使进入STOP状态，漏电流也变得不可忽视；而简单的CPU内核不仅功耗低，成本也低。
选用低电压供电的系 统。低电压供电可以大大降低系统的工作电流。目前单片机从与TTL兼容的5V供电降低到3.3V、3V、2V乃至1.8V供电，降低单片机的供电电压可以有效降低其功耗。供电电压降低也是未来单片机发展的一个重要趋势。
选择带有低功耗模式的系统。低功耗模式指的是系统的Idel(闲置)、Stop(停止)和Suspen(暂停)模式。处于这类模式下的单片机功耗将大大小 于运行模式下的功耗。
选择合适的时钟方案。时钟的选择对于系统功耗相当敏感，有两方面的问题要注意：
其一、系统总线频率应当尽量低。单片机内部的总电流消耗分为：运行电流和漏电流。单片机集成度越高， 环境温度越高，漏电流也越大。单片机的运行电流几乎和其时钟频率成正比。降低时钟频率，就可以有效降低单片机的功耗。
其二、关于时钟方案。是否使用锁相环，使用内部振荡器还是外部振荡器。现代单片机普遍使用锁相环技 术，使单片机的时钟频率可以由程序控制。单片机使用外部较低的振荡器，通过软件控制，系统时钟可以在一个很宽的范围内调整，得到比较高的总线时钟。使用锁 相环会带来额外的功耗。单就时钟方案来讲，使用外部晶振且不使用锁相环是功率消耗最小的一种。有的单片机带有内部时钟，也可使用外部时钟。这可以根据实际 系统的需要使用双时钟：一个高速时钟和一个低速时钟。处理事件时使用高速时钟，空闲时使用低速时钟。这钟双时钟系统可以有效地降低功耗。
2、应用软件设计
应用软件设计对于一个低功耗系统的 重要性常常被人们忽略。一个重要的原因是，软件上的缺陷并不像硬浸那样容易发现，同时也没有一个严格的标准来判断一个软件的低功耗特性。尽管如此，设计者 如果能尽量将应用的低功耗特性反映在软件中，就可以避免那些“看不见”的功耗损失。用“中断”代替“查询”。在没有要求低功耗的场合，程序使用中断方 式还是查询方式并不重要。但在要求低功耗场合，这两种方式相差甚远。使用中断方式，CPU可以什么都不做，甚至 可以进入等待模式或停止模式；而查询方式下，CPU必须不停地访问I／O寄存器，这会带来很多额外的功耗。用“宏”代替“子程序”。子程序调用的入栈出栈操作，要对RAM进行两次操作，会带来更大的功耗。宏在编译时展开，CPU按顺序执行指令。使用宏，会增加程序的代码量，但对不在乎程序代码量大的应用，使用宏无疑会降低系统 的功耗。尽量减少CPU的运算量。减少CPU的运算工作量，可以有效地降低CPU的功耗。减少CPU运算的工作可以从很多方面入手：其一，用查表的方法替代实时的计算。其二，不可避免的实时计算，算到 精度够了就结束，避免“过度”的计算。其三，尽量使用短的数据类型，例 如，尽量使用字符型的8位数据替代16位的整型数据，尽量使用分数运算而避免浮 点数运算等。其四，让I／O模块间歇运行，即不用的I／O模块或间歇使用的UO模块要及时关掉，以节省电能；不用的I/O引脚要设置成输出或设置成输入，用上拉电阻拉高。

对于大部分单片机系统，由于单片机的运行速度很快，单片机在工作的过程中有大量的空闲等待时间。在某些情况下，系统的等待时间甚至可以达到总工作时间的 95%以上。在等待过程中，单片机不作任何工作，只是在踏步等待，或者在循环判断有无新的外部请求。在这个过程中，可以让单片机内部的大部分电路工作在休 眠状态，可以大大地降低单片机的功耗。同时，也可以让有关的外部电路工作在休眠状态，这样就使整个产品的供电大大降低。产品的这种非连续工作的特点是微功 耗设计的基本思路，此外，还要根据产品的特点醉意更多的设计细节。

选择合适的CPU芯片是微功耗设计的关键

目 前的单片机种类很多，而且大都针对某一个特定的应用，可根据具体应用情况选择合适的单片机。在需要进行微功耗设计的应用中，可以根据下面的规则来选择：

1. 选择尽可能减少外部电路的单片机。随着集成电路工艺技术的飞速发展，真正单片化的单片机系统已逐步成为主流产品。

2. 注意比较工作电流和静态电流。由于工艺的不同，单片机内部工作电流、静态电流不尽相同，有的甚至相差很大。在选择单片机时，不但要考虑其工作电流，还要仔 细考虑其在休眠状态下的静态电流。

3. 通过比较可以看出，选用专用的低功耗单片机，可更加灵活地控制其功耗，在满足设计要求的前提下使其尽可能工作于最省电的模式。

4. 选择合适的ROM、RAM。一般来讲，存储器越大功耗也越大。在满足设计要求的情况下，尽可能使用单片机内部的ROM、RAM。

5. 选择合适的工作时钟频率。在较低的时钟频率下，单片机的功耗也较低。以MSP430F1121为例，当工作在1MHz的主频之下，典型电流消耗为 300uA;而工作在4096Hz的主频之下，其电流只有3uA。

6. 选择合适的IO管脚数，和合适的IO驱动能力和显示驱动能力。单片机驱动的IO管脚数越多，其功耗也就越大。

7. 选择合适的单片机，实现真正意义上单片化，可以省去了大量的硬浸开发调试工作，提高了工作效率，系统的可靠性、抗干扰能力得到了显著的改善，同时使系统成 本降低，更加适合微型化和便携化，对降低系统功耗有着决定性的作用。

低功耗设计策略

a. 使内部电路可选择性地工作

一般，设计中不会用到全部的单片机内部电路，而那些没有用到的电路将产生额外的功耗。在需 要进行微功耗设计的应用中，可以通过对内部特殊功能寄存器编程，选择使用不同的功能模块，对于不使用的功能模块使其停止工作，减少系统无效功耗。

b. 产品的低电压设计可以降低产品功耗

一般，单片机的工作电压越高，内部晶体管在放大区的工作时间也越长，单片机的功耗 也就越大。由于采用先进的芯片生产工艺，使单片机的电压范围一般很宽，如可以在1.8V～5V电源电压范围内正常工作。为了降低系统功耗，可尽量采用低电 压设计。

单片机供电电压范围的放宽，可以进一步拓宽单片机的应用领域，尤其是便携式或掌上型设备中，可以放心地使用电池作为电源，而不必 关心放电过程电压曲线是否平衡、在低电压下是否会影响单片机正常工作，更不必因电池供电而专门增加稳压电路，从而可减少大量的功率消耗。

c. 在空闲状态时，采用低速时钟信号

单片机的功耗与其工作频率成正比，系统运行频率越高，电源功耗就会相应增大。图1所 示为Philips公司的80C31单片机Vcc上的电流与主时钟频率的关系曲线，可以看出随着单片机主时钟频率的增加，其Vcc上的电流也呈线形增加， 则其功耗也随着主时钟频率的增加而增加。

为更好地降低功耗，在许多单片机的内部集成了两套独立的时钟系统，即高速的主时钟和低速的副时 钟，在不需要高速运行的情况下，可选用低速的副时钟，维持内部基本的定时要求。某些单片机的主时钟也可通过功能寄存器来重新设定，在满足功能需要的情况 下，按一定比例降低主时钟频率，以降低电源功耗。可在程序运行的过程中，通过软件对特殊功能寄存器赋值在线改变时钟频率，或进行主时钟和副时钟切换。

d. 尽可能工作在休眠模式

为降低功耗，通常单片机都提供多种工作模式，当处于空闲时进入休眠模式，当有一个事件提出中断 请求时，可以快速地返回到正常的运行模式，这样既可以保证系统节电，又不影响正常的工作。

不同的单片机会有不同的工作模式，如51系列的 单片机有空闲模式和掉电模式。在不同的工作模式中，单片机内核中某些功能模块将设置为休眠状态。如MSP430系列单片机有6种不同的工作模式，除了一种 是正常的运行模式(active mode)以外，其余五种均是低功耗模式，在这些模式下可以分别将CPU、内部时钟、内部总线、直至内部晶振全部关闭，使单片机的耗电降为最小。只有发生 中断请求或复位时，系统被唤醒进入正常运行模式。

外部电路的微功耗设计

单片机周边电 路的微功耗设计十分复杂，对产品的整体耗电而言也非常重要。复杂，庞大的周边电路将会带来很大的电源消耗，因此，应尽量少选用外部电路，尽可能利用单片机 内部的资源。

作为一个用电池供电的设备而言，其静态功耗最好为几微安～几十微安，由于这部分电流是在待机状态下加在设备上，是常供电电 流，在系统不工作的情况下将造成很大的电能浪费。因此在设计中，应该使外部电路最少，并减少外部电路在静态需要供电的部分。同时，还需要考虑以下问题：

1. 系统中单片机以外的其它器件尽可能选用静态功耗低的器件，如尽量选用CMOS芯片，少用双极性的晶体管门电路，因为双极性电路需要一个恒定的维持电流，增 加了电路的静态功耗。

2. 按照芯片的要求，将不用的引脚接至地或者高电平，悬空的输入脚将会增大芯片的静态电流。

3. 在IO管脚上尽量少用上拉或下拉电阻，这些电阻将消耗一定的静态电流。

4. 数据采集的模拟部分的设计可以采用一种轨对轨(rail-to-rail)的BiCMOS运算放大器，如LMV824用于替代LM324时，电源可低至 2.5V，单位带宽到5MHz，仅250μA/通道。

5. 设计外部器件的电源控制电路，使外部器件或设备在不工作时关断供电，减少无效功耗。低功耗器件的价格一般稍高一些，如果价格允许，通常都可以找到相应的低 电压、低功耗的替代产品。

6. 多用电压驱动电路，少用电流驱动电路。例如，要显示运行结果、当前状态或控制信息，通常有LCD显示器、LED显示器两种选择。用LCD输出，一般只有几 个微安的电流;而用LED则会有几十毫安的电流。
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