浅谈低功耗设计

周光森 史欢欢 张若南

摘要：电路里的大电流会使产品的寿命和可靠性降低，电源的动态压降严重的时候还会造成失效。很多电子产品如智能手表等都是锂电池供电，如果采用同样容量大小的锂电池进行测试，不难发现电子产品低功耗做的好的，工作时间越长。因此，低功耗设计在电子产品设计中占据重要地位。

关键词：电池；低功耗器件；电路设计；程序设计

一、电池供电

在嵌入式系统的设计中，低功耗设计（Low-Power Design）是许多设计人员必须面对的问题，其原因在于嵌入式系统被广泛应用于便携式、移动设备、无线类仪表的产品中去，而这些产品往往是靠电池来供电，所以电池的选择尤为重要。电池供电应该根据具体项目需求，选用可充电性电池或者是一次性电池，还要考虑其容量；体积、耐温性能、自放电率、安全性等等。

二、低功耗器件

随着半导体工艺的飞速发展和芯片工作频率的提高，芯片的功耗迅速增加，而功耗增加又将导致芯片发热量的增大和可靠性的下降。因此，功耗已经成为集成电路设计中的一个重要考虑因素。为了使产品更具竞争力，工业界对芯片设计的要求已从单纯追求高性能、小面积转为对性能、面积、功耗的综合要求。而微处理器作为数字系统的核心部件，其低功耗设计对降低整个系统的功耗具有重要的意义。由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便，所以随着便携式仪器应用范围的扩大，选择器件时应注意以下几点：

①选用具有低功耗特性的单片机可以大大降低系统功耗。可以从供电电压、单片机内部结构设计、系统时钟设计和低功耗模式等几方面考察一款单片机的低功耗特性。

②系统中单片机以外的其他电路器件尽可能选择静态功耗低的器件；

③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。

三、电路设计

想要延长设备的电池寿命，电路的合理设计也是重要的环节。设计者至少需要掌握利用低功耗微控制器、传感器、无线电和高功率电源等组件进行设计的技巧。特别是当设计越来越趋向小型和轻量化时，运用高效电源管理技巧來平衡电池的容量与尺寸也是至关重要的。此外，当电池电压下降到较低水平时，选择正确的升压转换器，输出电压高于源电压的DC-DC转换器可有效延长电池寿命。想要确保为电池供电设计选择正确的升压转换器，需要考虑以下因素：

①静态电流：越低的静态电流越有利于延长系统待机模式下的电池寿命；

②真关断模式：关断时将电流输出与输入阻塞，提高效率、延长产品保存期限；

③输入电压范围：允许利用几乎耗尽的电池进行工作；

④效率：测量VIN、VOUT和IOUT，百分比越高，越有利于延长电池寿命。

此外，核心CPU低功耗性能直接影响着产品的最终性能，CPU晶振的工作频率与功耗成正比，在满足系统需求的情况下，尽可能降低晶振的频率会大幅降低功耗。

四、程序设计

软件对于低功耗系统的重要性常常被人们忽略。许多技术可以降低系统的功耗，通过合理的软件程序设计。最常用的是Sleep模式。程序执行一条Sleep指令，便进入了休眠（Sleep）模式。在Sleep模式下，晶振停止振荡，而此时CPU在3V电源条件下，只有1μA的电流。系统工作时，可以采用看门狗或外部事件周期性地唤醒CPU，从而达到降低功耗的目的。利用程序合理控制电路的工作流程，关断一切可以关断的芯片电源，以减少系统待机功耗，延长电池使用时间。对于CPU未使用的GPIO而言，应该将其设置为固定状态，给出固定电平，且不可放任不管。更细致地降低功耗的软件设计，可采取如下方法：

①用“中断”代替“查询”，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1/0寄存器，这会带来很多额外的功耗；

②用“宏”代替“子程序”，宏会在编译时展开，CPU只是顺序执行指令，避免了调用子程序。因为CPU进入子程序时，会首先将当前CPU寄存器推人堆栈（RAM），在离开时又将CPU寄存器弹出堆栈，这样至少带来两次对RAM的操作；

③尽量减少CPU的运算量，用查表的方法替代实时的计算，减少CPU的运算工作量，可以有效地降低CPU的功耗；

④让1/0模块间歇运行，不用的1/0模块或间歇使用的1/0模块要及时关掉，以节省电能，比如不用的控制外围芯片可以关掉使能引脚。

五、结束语

一个成功的低功耗设计应该是硬件设计和软件设计的结合。从硬件设计开始，就应该充分意识到低功耗应用的特性，选择一款合适的单片机，设计系统方案；在软件设计上，要考虑到低功耗编程的特殊性，并尽量使用单片机的低功耗模式。掌握了低功耗的设计，对设计产品有重大意义。