基于單片機的電池供電設備的微功耗設計策略淺析

　　在預付費式水表、氣表、熱表、數字流量計等應用中，一般采用電池供電。合理地設計這些單片機系統，可以在不換電池的情況下，能連續工作數年時間。要滿足這些要求必須在設計中解決好單片機系統的微功耗問題，必須從單片機的選擇、單片機的設計與使用、外部電路的設計以及電源供電方面綜合考慮。

　　對于大部分單片機系統，由于單片機的運行速度很快，單片機在工作的過程中有大量的空閑等待時間。在某些情況下，系統的等待時間甚至可以達到總工作時間的95%以上。在等待過程中，單片機不作任何工作，只是在踏步等待，或者在循環判斷有無新的外部請求。在這個過程中，可以讓單片機內部的大部分電路工作在休眠狀態，可以大大地降低單片機的功耗。同時，也可以讓有關的外部電路工作在休眠狀態，這樣就使整個產品的供電大大降低。產品的這種非連續工作的特點是微功耗設計的基本思路，此外，還要根據產品的特點醉意更多的設計細節。

　　選擇合適的CPU芯片是微功耗設計的關鍵

　　目前的單片機種類很多，而且大都針對某一個特定的應用，可根據具體應用情況選擇合適的單片機。在需要進行微功耗設計的應用中，可以根據下面的規則來選擇：

　　1. 選擇盡可能減少外部電路的單片機。隨著集成電路工藝技術的飛速發展，真正單片化的單片機系統已逐步成為主流產品。

　　2. 注意比較工作電流和靜態電流。由于工藝的不同，單片機內部工作電流、靜態電流不盡相同，有的甚至相差很大。在選擇單片機時，不但要考慮其工作電流，還要仔細考慮其在休眠狀態下的靜態電流。

　　3. 通過比較可以看出，選用專用的低功耗單片機，可更加靈活地控制其功耗，在滿足設計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。一般來講，存儲器越大功耗也越大。在滿足設計要求的情況下，盡可能使用單片機內部的ROM、RAM。

　　5. 選擇合適的工作時鐘頻率。在較低的時鐘頻率下，單片機的功耗也較低。以MSP430F1121為例，當工作在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，和合適的IO驅動能力和顯示驅動能力。單片機驅動的IO管腳數越多，其功耗也就越大。

　　7. 選擇合適的單片機，實現真正意義上單片化，可以省去了大量的硬件開發調試工作，提高了工作效率，系統的可靠性、抗干擾能力得到了顯著的改善，同時使系統成本降低，更加適合微型化和便攜化，對降低系統功耗有著決定性的作用。

　　低功耗設計策略

　　a. 使內部電路可選擇性地工作

　　一般，設計中不會用到全部的單片機內部電路，而那些沒有用到的電路將產生額外的功耗。在需要進行微功耗設計的應用中，可以通過對內部特殊功能寄存器編程，選擇使用不同的功能模塊，對于不使用的功能模塊使其停止工作，減少系統無效功耗。

　　b. 產品的低電壓設計可以降低產品功耗

　　一般，單片機的工作電壓越高，內部晶體管在放大區的工作時間也越長，單片機的功耗也就越大。由于采用先進的芯片生產工藝，使單片機的電壓范圍一般很寬，如可以在1.8V～5V電源電壓范圍內正常工作。為了降低系統功耗，可盡量采用低電壓設計。

　　單片機供電電壓范圍的放寬，可以進一步拓寬單片機的應用領域，尤其是便攜式或掌上型設備中，可以放心地使用電池作為電源，而不必關心放電過程電壓曲線是否平衡、在低電壓下是否會影響單片機正常工作，更不必因電池供電而專門增加穩壓電路，從而可減少大量的功率消耗。

　　c. 在空閑狀態時，采用低速時鐘信號

　　單片機的功耗與其工作頻率成正比，系統運行頻率越高，電源功耗就會相應增大。圖1所示為Philips公司的80C31單片機Vcc上的電流與主時鐘頻率的關系曲線，可以看出隨著單片機主時鐘頻率的增加，其Vcc上的電流也呈線形增加，則其功耗也隨著主時鐘頻率的增加而增加。