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。

　　2 硬件低功耗设计

　　2.1 选择低功耗的器件

　　选择低功耗的电子器件可以从根本上降低整个硬件系统的功耗。目前的半导体工艺主要有TTL工艺和CMOS工艺，CMOS工艺具有很低的功耗，在电路设计上尽量选用，使用CMOS系列电路时，其不用的输入端不要悬空，因为悬空的输入端可能存在感应信号，它将造成高低电平的转换。转换器件的功耗很大，尽量采用输出为高的原则。

　　嵌入式处理器是嵌入式系统的硬件核心，消耗大量的功率，因此设计时选用低功耗的处理器;另外，选择低功耗的通信收发器(对于通信应用系统)、低功耗的访存部件、低功耗的外围电路，目前许多通信收发器都设计成节省功耗方式，这样的器件优先采用。

　　2.2 选用低功耗的电路形式

　　完成同样的功能，电路的实现形式有多种。例如，可以利用分立元件、小规模集成电路，大规模集成电路甚至单片实现。通常，使用的元器件数量越少，系统的功耗越低。因此，尽量使用集成度高的器件，以减少电路中使用元件的个数，减少整机的功耗。

　　2.3 单电源、低电压供电

　　一些模拟电路如运算放大器等。供电方式有正负电源和单电源两种。双电源供电可以提供对地输出的信号。高电源电压的优点是可以提供大的动态范围，缺点是功耗大。例如，低功耗集成运算放大器LM324，单电源电压工作范围为5～30 V。当电源电压为15 V时，功耗约为220 mw;当电源电压为10 V时，功耗约为90 mw;当电源电压为5 V时，功耗约为15 mw。可见，低电压供电对降低器件功耗的作用十分明显。因此，处理小信号的电路可以降低供电电压。

　　2.4 分区/分时供电技术

　　一个嵌入式系统的所有组成部分并非时刻在工作，基于此，可采用分时/分区的供电技术。原理是利用“开关”控制电源供电单元，在某一部分电路处于休眠状态时，关闭其供电电源，仅保留工作部分的电源。

　　2.5 I/O引脚供电

　　嵌入式处理器的输出引脚在输出高电平时，可以提供约20 mA的电流，该引脚可以直接作为某些电路的供电电源使用，如图2所示。处理器的引脚输出高电平时，外部器件工作;输出低电平时，外部器件停止工作。需要注意。该电路需满足下列要求：外部器件的功耗较低，低于处理器I/O引脚的高电平输出电流;外部器件的供电电压范围较宽。

　　2.6 电源管理单元设计

　　处理器全速工作时，功耗最大;待机状态时，功耗比较小。常见的待机方式有两种：空闲方式(Idle)和掉电方式(Shut Down)。其中，Idle方式可以通过中断的发生退出，中断可以由外部事件供给。掉电方式指的是处理器停止，连中断也不响应，因此需要进入复位才能退出掉电方式。

　　为了降低系统的功耗，一旦CPU处于“空转”，可以使之进入Idle状态，降低功耗;期间如果发生了外部事件，可以通过事件产生中断信号，使CPU进入运行状态。对于Shut Down状态，只能用复位信号唤醒CPU。