單片機(jī)的電池供電微功耗設(shè)計(jì)

對(duì)于大部分單片機(jī)系統(tǒng)，由于單片機(jī)的運(yùn)行速度很快，單片機(jī)在工作的過(guò)程中有大量的空閑等待時(shí)間。在某些情況下，系統(tǒng)的等待時(shí)間甚至可以達(dá)到總工作時(shí)間的95%以上。在等待過(guò)程中，單片機(jī)不作任何工作，只是在踏步等待，或者在循環(huán)判斷有無(wú)新的外部請(qǐng)求。在這個(gè)過(guò)程中，可以讓單片機(jī)內(nèi)部的大部分電路工作在休眠狀態(tài)，可以大大地降低單片機(jī)的功耗。同時(shí)，也可以讓有關(guān)的外部電路工作在休眠狀態(tài)，這樣就使整個(gè)產(chǎn)品的供電大大降低。產(chǎn)品的這種非連續(xù)工作的特點(diǎn)是微功耗設(shè)計(jì)的基本思路，此外，還要根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)醉意更多的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。
選擇合適的CPU芯片是微功耗設(shè)計(jì)的關(guān)鍵
目前的單片機(jī)種類(lèi)很多，而且大都針對(duì)某一個(gè)特定的應(yīng)用，可根據(jù)具體應(yīng)用情況選擇合適的單片機(jī)。在需要進(jìn)行微功耗設(shè)計(jì)的應(yīng)用中，可以根據(jù)下面的規(guī)則來(lái)選擇：
1. 選擇盡可能減少外部電路的單片機(jī)。隨著集成電路工藝技術(shù)的飛速發(fā)展，真正單片化的單片機(jī)系統(tǒng)已逐步成為主流產(chǎn)品。
2. 注意比較工作電流和靜態(tài)電流。由于工藝的不同，單片機(jī)內(nèi)部工作電流、靜態(tài)電流不盡相同，有的甚至相差很大。在選擇單片機(jī)時(shí)，不但要考慮其工作電流，還要仔細(xì)考慮其在休眠狀態(tài)下的靜態(tài)電流。
3. 通過(guò)比較可以看出，選用專(zhuān)用的低功耗單片機(jī)，可更加靈活地控制其功耗，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下使其盡可能工作于最省電的模式。
4. 選擇合適的ROM、RAM。一般來(lái)講，存儲(chǔ)器越大功耗也越大。在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，盡可能使用單片機(jī)內(nèi)部的ROM、RAM。
5. 選擇合適的工作時(shí)鐘頻率。在較低的時(shí)鐘頻率下，單片機(jī)的功耗也較低。以MSP430F1121為例，當(dāng)工作在1MHz的主頻之下，典型電流消耗為300uA;而工作在4096Hz的主頻之下，其電流只有3uA。
6. 選擇合適的IO管腳數(shù)，和合適的IO驅(qū)動(dòng)能力和顯示驅(qū)動(dòng)能力。單片機(jī)驅(qū)動(dòng)的IO管腳數(shù)越多，其功耗也就越大。
7. 選擇合適的單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)真正意義上單片化，可以省去了大量的硬件開(kāi)發(fā)調(diào)試工作，提高了工作效率，系統(tǒng)的可靠性、抗干擾能力得到了顯著的改善，同時(shí)使系統(tǒng)成本降低，更加適合微型化和便攜化，對(duì)降低系統(tǒng)功耗有著決定性的作用。
低功耗設(shè)計(jì)策略
a. 使內(nèi)部電路可選擇性地工作
一般，設(shè)計(jì)中不會(huì)用到全部的單片機(jī)內(nèi)部電路，而那些沒(méi)有用到的電路將產(chǎn)生額外的功耗。在需要進(jìn)行微功耗設(shè)計(jì)的應(yīng)用中，可以通過(guò)對(duì)內(nèi)部特殊功能寄存器編程，選擇使用不同的功能模塊，對(duì)于不使用的功能模塊使其停止工作，減少系統(tǒng)無(wú)效功耗。
b. 產(chǎn)品的低電壓設(shè)計(jì)可以降低產(chǎn)品功耗
一般，單片機(jī)的工作電壓越高，內(nèi)部晶體管在放大區(qū)的工作時(shí)間也越長(zhǎng)，單片機(jī)的功耗也就越大。由于采用先進(jìn)的芯片生產(chǎn)工藝，使單片機(jī)的電壓范圍一般很寬，如可以在1.8V～5V電源|穩(wěn)壓器電壓范圍內(nèi)正常工作。為了降低系統(tǒng)功耗，可盡量采用低電壓設(shè)計(jì)。
單片機(jī)供電電壓范圍的放寬，可以進(jìn)一步拓寬單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是便攜式或掌上型設(shè)備中，可以放心地使用電池作為電源，而不必關(guān)心放電過(guò)程電壓曲線是否平衡、在低電壓下是否會(huì)影響單片機(jī)正常工作，更不必因電池供電而專(zhuān)門(mén)增加穩(wěn)壓電路，從而可減少大量的功率消耗。
c. 在空閑狀態(tài)時(shí)，采用低速時(shí)鐘信號(hào)
單片機(jī)的功耗與其工作頻率成正比，系統(tǒng)運(yùn)行頻率越高，電源功耗就會(huì)相應(yīng)增大。圖1所示為Philips公司的80C31單片機(jī)Vcc上的電流與主時(shí)鐘頻率的關(guān)系曲線，可以看出隨著單片機(jī)主時(shí)鐘頻率的增加，其Vcc上的電流也呈線形增加，則其功耗也隨著主時(shí)鐘頻率的增加而增加。
為更好地降低功耗，在許多單片機(jī)的內(nèi)部集成了兩套獨(dú)立的時(shí)鐘系統(tǒng)，即高速的主時(shí)鐘和低速的副時(shí)鐘，在不需要高速運(yùn)行的情況下，可選用低速的副時(shí)鐘，維持內(nèi)部基本的定時(shí)要求。某些單片機(jī)的主時(shí)鐘也可通過(guò)功能寄存器來(lái)重新設(shè)定，在滿足功能需要的情況下，按一定比例降低主時(shí)鐘頻率，以降低電源功耗。可在程序運(yùn)行的過(guò)程中，通過(guò)軟件對(duì)特殊功能寄存器賦值在線改變時(shí)鐘頻率，或進(jìn)行主時(shí)鐘和副時(shí)鐘切換。
d. 盡可能工作在休眠模式
為降低功耗，通常單片機(jī)都提供多種工作模式，當(dāng)處于空閑時(shí)進(jìn)入休眠模式，當(dāng)有一個(gè)事件提出中斷請(qǐng)求時(shí)，可以快速地返回到正常的運(yùn)行模式，這樣既可以保證系統(tǒng)節(jié)電，又不影響正常的工作。
不同的單片機(jī)會(huì)有不同的工作模式，如51系列的單片機(jī)有空閑模式和掉電模式。在不同的工作模式中，單片機(jī)內(nèi)核中某些功能模塊將設(shè)置為休眠狀態(tài)。如MSP430系列單片機(jī)有6種不同的工作模式，除了一種是正常的運(yùn)行模式(active mode)以外，其余五種均是低功耗模式，在這些模式下可以分別將CPU、內(nèi)部時(shí)鐘、內(nèi)部總線、直至內(nèi)部晶振全部關(guān)閉，使單片機(jī)的耗電降為最小。只有發(fā)生中斷請(qǐng)求或復(fù)位時(shí)，系統(tǒng)被喚醒進(jìn)入正常運(yùn)行模式。
外部電路的微功耗設(shè)計(jì)
單片機(jī)周邊電路的微功耗設(shè)計(jì)十分復(fù)雜，對(duì)產(chǎn)品的整體耗電而言也非常重要。復(fù)雜，龐大的周邊電路將會(huì)帶來(lái)很大的電源消耗，因此，應(yīng)盡量少選用外部電路，盡可能利用單片機(jī)內(nèi)部的資源。
作為一個(gè)用電池供電的設(shè)備而言，其靜態(tài)功耗最好為幾微安～幾十微安，由于這部分電流是在待機(jī)狀態(tài)下加在設(shè)備上，是常供電電流，在系統(tǒng)不工作的情況下將造成很大的電能浪費(fèi)。因此在設(shè)計(jì)中，應(yīng)該使外部電路最少，并減少外部電路在靜態(tài)需要供電的部分。同時(shí)，還需要考慮以下問(wèn)題：
1. 系統(tǒng)中單片機(jī)以外的其它器件盡可能選用靜態(tài)功耗低的器件，如盡量選用CMOS芯片，少用雙極性的晶體管門(mén)電路，因?yàn)殡p極性電路需要一個(gè)恒定的維持電流，增加了電路的靜態(tài)功耗。
2. 按照芯片的要求，將不用的引腳接至地或者高電平，懸空的輸入腳將會(huì)增大芯片的靜態(tài)電流。
3. 在IO管腳上盡量少用上拉或下拉電阻，這些電阻將消耗一定的靜態(tài)電流。
4. 數(shù)據(jù)采集的模擬部分的設(shè)計(jì)可以采用一種軌對(duì)軌(rail-to-rail)的BiCMOS運(yùn)算放大器，如LMV824用于替代LM324時(shí)，電源可低至2.5V，單位帶寬到5MHz，僅250μA/通道。
5. 設(shè)計(jì)外部器件的電源控制電路，使外部器件或設(shè)備在不工作時(shí)關(guān)斷供電，減少無(wú)效功耗。低功耗器件的價(jià)格一般稍高一些，如果價(jià)格允許，通常都可以找到相應(yīng)的低電壓、低功耗的替代產(chǎn)品。
6. 多用電壓驅(qū)動(dòng)電路，少用電流驅(qū)動(dòng)電路。例如，要顯示運(yùn)行結(jié)果、當(dāng)前狀態(tài)或控制信息，通常有LCD顯示器、led顯示器兩種選擇。用LCD輸出，一般只有幾個(gè)微安的電流;而用LED則會(huì)有幾十毫安的電流。