嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)研究

0 引 言
經(jīng)過近幾年的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)(Embedded System)已經(jīng)成為電子信息產(chǎn)業(yè)中最具增長(zhǎng)力的一個(gè)分支。隨著手機(jī)、PDA，GPS、機(jī)頂盒等新興產(chǎn)品的大量應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)的市場(chǎng)正在以每年30％的速度遞增(IDC預(yù)測(cè))，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也成為軟硬件工程師越來越關(guān)心的話題。
在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，低功耗設(shè)計(jì)(Low Power Design)是許多設(shè)計(jì)人員必須面對(duì)的問題。其原因在于嵌入式系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于便攜式和移動(dòng)性較強(qiáng)的產(chǎn)品中，而這些產(chǎn)品不是一直都有充足的電源供應(yīng)，往往是靠電池來供電的；而且大多數(shù)嵌入式設(shè)備都有體積和質(zhì)量的約束。另外，系統(tǒng)部件產(chǎn)生的熱量和功耗成比例，為解決散熱問題而采取的冷卻措施進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的功耗。為了得到最好的結(jié)果，降低系統(tǒng)的功耗具有下面的優(yōu)點(diǎn)：
(1)電池驅(qū)動(dòng)的需要。在強(qiáng)調(diào)綠色環(huán)保時(shí)期，許多電子產(chǎn)品都采用電池供電。對(duì)于電池供電系統(tǒng)，延長(zhǎng)電池壽命，降低用戶更換電池的周期，提高系統(tǒng)性能與降低系統(tǒng)開銷，甚至能起到保護(hù)環(huán)境的作用。
(2)安全的需要。在現(xiàn)場(chǎng)總線領(lǐng)域，本安問題是一個(gè)重要話題。例如FF的本安設(shè)備，理論上每個(gè)網(wǎng)段可以容納32個(gè)設(shè)備，而實(shí)際應(yīng)用中考慮到目前的功耗水平，每個(gè)網(wǎng)段安裝10個(gè)比較合適。因此降低系統(tǒng)功耗是實(shí)現(xiàn)本安要求的一個(gè)重要途徑。
(3)解決電磁干擾。系統(tǒng)功耗越低，電磁輻射能量越小，對(duì)其他設(shè)備造成的干擾也越小。如果所有的電子產(chǎn)品都能設(shè)計(jì)成低功耗，那么電磁兼容性設(shè)計(jì)會(huì)變得容易。
(4)節(jié)能的需要。特別是對(duì)電池供電系統(tǒng)，功耗與電壓的平方成正比即：P=V2/fC+Pstatic，因此節(jié)能更為重要。

1 功耗產(chǎn)生的原因
1．1 集成電路的功耗
目前的集成電路工藝主要有TTL和CMOS兩大類，無論哪種工藝。只要電路中有電流通過．就會(huì)產(chǎn)生功耗。通常，集成電路的功耗主要有4個(gè)：
(1)開關(guān)功耗。對(duì)電路中的電容充放電而形成，其表達(dá)式為：

式中：Vdd為電源電壓；C為被充放電的電容：α為活動(dòng)因子；f為開關(guān)頻率。
(2)靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗。當(dāng)電路的狀態(tài)沒有進(jìn)行翻轉(zhuǎn)(保持高電平或低電平)時(shí)，電路的功耗屬于靜態(tài)功耗，其大小等于電路電壓與流過電流的乘積；動(dòng)態(tài)功耗是電路翻轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的功耗，由于電路翻轉(zhuǎn)時(shí)存在跳變沿，在電路翻轉(zhuǎn)瞬間，電流比較大．存在較大的動(dòng)態(tài)功耗。目前大多數(shù)電路都采用CMOS工藝，靜態(tài)功耗很小，可以忽略。起主要作用的是動(dòng)態(tài)功耗，因此從降低動(dòng)態(tài)功耗人手來降低功耗。
(3)短路功耗。因開關(guān)時(shí)由電源到地形成的通路造成的，其表達(dá)式為：

式中：κ由工藝和電壓決定；W為晶體管寬度；τ為輸入信號(hào)上升／下降的時(shí)間；f為工作頻率。
(4)漏電功耗。由亞閾值電流和反向偏壓電流造成。目前大多數(shù)電路都采用CMOS工藝。故漏電功耗很小，可以忽略。
1．2 電阻的功耗和有源器件的功耗
通常為負(fù)載器件和寄生元件產(chǎn)生的功耗。有源開關(guān)器件在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，電流和電壓比較大，將引起功率消耗。另外，CMOS電路中最大的功耗來自于內(nèi)部和外部的電容充放電產(chǎn)生的功耗。