嵌入式系統(tǒng)中的低功耗設(shè)計(jì)
加入技術(shù)交流群
由上圖可見(jiàn)，CPU在全速運(yùn)行的時(shí)候比在空閑或者休眠的時(shí)候消耗的功率大得多。省電的原則就是讓正常運(yùn)行模式遠(yuǎn)比空閑、休眠模式少占用時(shí)間。在類似PDA的設(shè)備中，系統(tǒng)在全速運(yùn)行的時(shí)候遠(yuǎn)比空閑的時(shí)候少，所以我們可以通過(guò)設(shè)置使CPU盡可能工作在空閑狀態(tài)，然后通過(guò)相應(yīng)的中斷喚醒 CPU，恢復(fù)到正常工作模式，處理響應(yīng)的事件，然后再進(jìn)入空閑模式。
2、關(guān)閉不需要的外設(shè)控制器
一般來(lái)講，CPU都提供各種各樣的接口控制器，如I2C、I2S、LCD、Flash、Timer、UART、SPI、 USB等等，但這些控制器在一個(gè)設(shè)計(jì)里一般不會(huì)全部都用到，所以我們對(duì)于這些不用的控制器往往任其處于各種狀態(tài)而不用花心思去管。但是，當(dāng)你想盡可能節(jié)省功耗的情況下，則必須關(guān)注它們的狀態(tài)，因?yàn)槿绻粚⑵潢P(guān)閉，即使它們沒(méi)有處于工作狀態(tài)，但是仍然會(huì)消耗電流。仍以S3C2410X來(lái)講：
從上表我們可以看到，通過(guò)設(shè)置寄存器我們可以有選擇地關(guān)閉不需要的功能模塊，以達(dá)到節(jié)省電的目的，比如在我們的實(shí)際應(yīng)用中，ADC、 I2C、I2S和SPI都沒(méi)有用到，通過(guò)CLKCON寄存器的設(shè)置，我們可以節(jié)省2mA的電流。當(dāng)然，也可以動(dòng)態(tài)關(guān)閉一些仍然需要的外設(shè)控制器來(lái)進(jìn)一步節(jié)省能量。如在空閑模式下，CPU 內(nèi)核停止運(yùn)行，我們還可以進(jìn)一步關(guān)閉一些其他的外設(shè)控制器，如USB,SDI,FLASH等，只要保證喚醒CPU的I/O控制器正常工作即可,如通過(guò) UART喚醒，則UART控制器不能被關(guān)閉。等到CPU被喚醒后，再將USB、SDI、Flash等控制器再打開(kāi)。
上面兩種方式只是動(dòng)態(tài)電源管理的最為簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)。在這兩種方式中，一種是通過(guò)改變了系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率，另一種是通過(guò)控制外設(shè)控制器的開(kāi)關(guān)來(lái)達(dá)到節(jié)約能量的目的。在最近的研究中，已經(jīng)有人把目光投入到了同時(shí)動(dòng)態(tài)改變處理器的電壓和頻率來(lái)進(jìn)一步節(jié)省功率，如IBM和 MontaVista合作進(jìn)行的嵌入式系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電源管理的研究。這是一個(gè)更為復(fù)雜、也更為系統(tǒng)的工程，它涉及了從硬件到操作系統(tǒng)以及應(yīng)用層的有關(guān)內(nèi)容。
四、電源供給電路
在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，工程師往往習(xí)慣于采用最簡(jiǎn)單的方式來(lái)完成電源的設(shè)計(jì)，但在對(duì)功耗要求嚴(yán)格的情況下，我們就必須對(duì)采用何種電壓變換結(jié)構(gòu)仔細(xì)考慮一番再做決定。
通常來(lái)講，我們有以下幾種進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換的方式：
線性穩(wěn)壓（Linear Regulator）
DC to DC
LDO（Low Drop-Out）
其中LDO本質(zhì)上還是一種線性穩(wěn)壓，主要用于壓差較小的場(chǎng)合。所以我們將其合并為線性穩(wěn)壓來(lái)談。
對(duì)于線性穩(wěn)壓來(lái)說(shuō)，其特點(diǎn)時(shí)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需元件數(shù)量少，輸入和輸出壓差可以很大，但其致命弱點(diǎn)就是效率低，功耗高。其效率η完全取決于輸出電壓大小。下圖是線性穩(wěn)壓器LM7805的輸出電流大小相對(duì)壓差的曲線圖。
由圖中可見(jiàn)，壓差越大，可提供的最大輸出電流越小。假設(shè)采用LM7805,輸入12V，輸出電壓為5V，壓差為7V, 輸出的電流為1A的情況下，我們可以計(jì)算出消費(fèi)在線性穩(wěn)壓器上的功率為P=ΔV*IOUT=7*1=7w，效率僅為η＝5×1/(5*1+7*1)= 41.7%,由這個(gè)結(jié)果我們可以看出，有一大半功率消耗在IC本身上。
DC to DC電路的特點(diǎn)是效率高，升降壓靈活，但缺點(diǎn)時(shí)電路相對(duì)復(fù)雜，干擾較大。一般常見(jiàn)的由Boost和Buck兩種電路，前者用于升壓，后者用于降壓，示意圖如下：
這兩種電路的核心是通過(guò)MOS管的開(kāi)關(guān)來(lái)控制電感和電容間的能量轉(zhuǎn)換。調(diào)節(jié)MOS管柵極脈沖信號(hào)的占空比可以控制MOS管的導(dǎo)通和關(guān)閉，從而改變輸出電壓的高低。
下圖是一個(gè)從12V轉(zhuǎn)換到5V的DC to DC電路圖，其控制IC采用國(guó)家半導(dǎo)體（NS）的LM2596，實(shí)際是采用Buck電路，其MOSFET和相關(guān)的控制電路位于芯片內(nèi)部，其轉(zhuǎn)換效率圖如下：
由轉(zhuǎn)換效率圖可見(jiàn)，當(dāng)輸入為12v,輸出為5v時(shí)，轉(zhuǎn)換效率約為82％，為線性穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換效率的一倍。LM2596的開(kāi)關(guān)頻率為固定的130KHZ，如果我們提升器件的開(kāi)關(guān)頻率，如采用NS的LM2676時(shí)（260KHZ開(kāi)關(guān)頻率），在同樣的應(yīng)用條件下，效率可達(dá)88％以上。
從上面的論述中我們可見(jiàn)，在適當(dāng)?shù)那闆r下使用DC-DC的電壓轉(zhuǎn)換線路，可以有效地節(jié)約能量，降低整機(jī)功耗。
參考文獻(xiàn)：
1、 Dynamic Power Management for Embedded System, Version 1.1 November
19, 2002, IBM& MontaVista Software
2、 Low Power Design , Dec 28 2001, Mike Willey & Kris Stafford, www.
embedded.com
3、 System Level Power-Performance Trade-Offs in Embedded Systems Using
Voltage and Frequency Scaling of Off-Chip Buses and Memory, Kiran
Puttaswamy, Kyu-Won Choi, Jun Cheol Park等
評(píng)論