嵌入式系统低功耗设计研究

0 引 言
经过近几年的快速发展，嵌入式系统(Embedded System)已经成为电子信息产业中最具增长力的一个分支。随着手机、PDA，GPS、机顶盒等新兴产品的大量应用，嵌入式系统的市场正在以每年30％的速度递增(IDC预测)，嵌入式系统的设计也成为软硬件工程师越来越关心的话题。
在嵌入式系统设计中，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和移动性较强的产品中，而这些产品不是一直都有充足的电源供应，往往是靠电池来供电的；而且大多数嵌入式设备都有体积和质量的约束。另外，系统部件产生的热量和功耗成比例，为解决散热问题而采取的冷却措施进一步增加了系统的功耗。为了得到最好的结果，降低系统的功耗具有下面的优点：
(1)电池驱动的需要。在强调绿色环保时期，许多电子产品都采用电池供电。对于电池供电系统，延长电池寿命，降低用户更换电池的周期，提高系统性能与降低系统开销，甚至能起到保护环境的作用。
(2)安全的需要。在现场总线领域，本安问题是一个重要话题。例如FF的本安设备，理论上每个网段可以容纳32个设备，而实际应用中考虑到目前的功耗水平，每个网段安装10个比较合适。因此降低系统功耗是实现本安要求的一个重要途径。
(3)解决电磁干扰。系统功耗越低，电磁辐射能量越小，对其他设备造成的干扰也越小。如果所有的电子产品都能设计成低功耗，那么电磁兼容性设计会变得容易。
(4)节能的需要。特别是对电池供电系统，功耗与电压的平方成正比即：P=V2/fC+Pstatic，因此节能更为重要。

1 功耗产生的原因
1．1 集成电路的功耗
目前的集成电路工艺主要有TTL和CMOS两大类，无论哪种工艺。只要电路中有电流通过．就会产生功耗。通常，集成电路的功耗主要有4个：
(1)开关功耗。对电路中的电容充放电而形成，其表达式为：

式中：Vdd为电源电压；C为被充放电的电容：α为活动因子；f为开关频率。
(2)静态功耗和动态功耗。当电路的状态没有进行翻转(保持高电平或低电平)时，电路的功耗属于静态功耗，其大小等于电路电压与流过电流的乘积；动态功耗是电路翻转时产生的功耗，由于电路翻转时存在跳变沿，在电路翻转瞬间，电流比较大．存在较大的动态功耗。目前大多数电路都采用CMOS工艺，静态功耗很小，可以忽略。起主要作用的是动态功耗，因此从降低动态功耗人手来降低功耗。
(3)短路功耗。因开关时由电源到地形成的通路造成的，其表达式为：

式中：κ由工艺和电压决定；W为晶体管宽度；τ为输入信号上升／下降的时间；f为工作频率。
(4)漏电功耗。由亚阈值电流和反向偏压电流造成。目前大多数电路都采用CMOS工艺。故漏电功耗很小，可以忽略。
1．2 电阻的功耗和有源器件的功耗
通常为负载器件和寄生元件产生的功耗。有源开关器件在状态转换时，电流和电压比较大，将引起功率消耗。另外，CMOS电路中最大的功耗来自于内部和外部的电容充放电产生的功耗。