單片機低功耗設計雜談

現在，有許多單片機應用領(lǐng)域，都是用電池供電，節能成為設計工程師普遍關(guān)心的問(wèn)題。

進(jìn)入掉電模式

現在有很多的低功耗的片子，特別是在進(jìn)入掉電模式之后，只有1uA的電流。也可以使用電源管理的方法，在不工作的時(shí)候，把系統電源關(guān)斷，這樣更省電我用了很久51芯片，本來(lái)對它的功耗非常不滿(mǎn)，但是因為其價(jià)格越來(lái)越便宜，本身的性?xún)r(jià)比依舊很好，所以總也甩不掉。

1、休眠。一般的系統都不會(huì )到了忙不過(guò)來(lái)的地步，適當的休眠還是可以節省一些功耗的，在一些簡(jiǎn)單的系統，多抽時(shí)間休眠成了省電的關(guān)鍵，你看別的芯片都不耗電，只有單片機了，它就是關(guān)鍵了，在有些時(shí)候，提高主頻反而會(huì )獲取更多的休眠時(shí)間，反而使系統功耗更小了。但是值得注意的是，經(jīng)常性的切換休眠和工作狀態(tài)會(huì )讓電源產(chǎn)生mV級的波動(dòng)，特別對于很多線(xiàn)性穩壓器只有100mA以?xún)鹊妮敵瞿芰Φ那闆r更明顯，這樣的波動(dòng)或許會(huì )影響系統內的AD和一些其他模擬電路，值得注意。

2、掉電。如果進(jìn)入了掉電模式，很多51芯片是無(wú)法通過(guò)中斷重新開(kāi)始工作的，可以外加一個(gè)微功耗的單片機來(lái)提供復位，這個(gè)單片機只負責鍵盤(pán)掃描和復位51單片機，以及發(fā)送鍵盤(pán)編碼到51芯片。我以前見(jiàn)過(guò)一個(gè)手持設備，耗電很小，但是包括了大容量存儲、顯示、輸入、數據輸出、檢索等功能，平時(shí)89C51總是處于掉電狀態(tài)，但是有了鍵盤(pán)操作后，就復位開(kāi)始運行，處理完鍵盤(pán)送來(lái)的任務(wù)之后又自動(dòng)掉電了。

3、復雜運算。復雜運算(譬如指數運算、浮點(diǎn)乘除)一定會(huì )占據更多系統時(shí)序，響應減少休眠時(shí)間，可以通過(guò)查表方式，這樣用大容量的表格代替了現場(chǎng)計算，更多的時(shí)間不就可以睡覺(jué)了嗎?

4、如果軟件任務(wù)少到一定程度，那么可以考慮把晶體搞到32k去運行，其實(shí)這樣更省電，但是這意味著(zhù)51軟件基本沒(méi)什么高速的事情做，也不需要串行通信，否則，還是老老實(shí)實(shí)面對現實(shí)吧。

我覺(jué)得，51芯片用于電池供電的系統不是很合適，但是從開(kāi)發(fā)周期看，它的開(kāi)發(fā)環(huán)境很好，畢竟可以承載8位機的相對大型的應用，有時(shí)候又不得不用它。我覺(jué)得距離51最靠近的AVR單片機更適合將來(lái)的應用，因為其性能價(jià)格比相對其他單片機還是不錯的，除非51芯片可以將來(lái)做到在3MIP下，工作電流小于2mA，休眠電流小于500uA，掉電電流小于10uA。在很多的設計中，采用線(xiàn)性降壓的方法，電源損耗大，如提高供電電壓，并用高效率的DC-DC電源，可延長(cháng)電源使用的時(shí)間89C8252掉電工作，看門(mén)狗做“系統運行時(shí)鐘”同時(shí)把看門(mén)狗復位“軟件模擬成看門(mén)狗中斷”“狗”叫一次跳起來(lái)看看，“RAM值班室登個(gè)記”，同時(shí)還登記下當前PC+1的值，然后“睡死”過(guò)去!

平均功耗不大于5V/0。3MA，而且有很強的抗干擾性!

軟件優(yōu)化很重要!

如64MS一次“狗”叫!起來(lái)做40條指令，24MHZ下最多：40*0.5=20US

于是占空比：20/64000=1/3200 即平均電流下降3200倍!!!

外設會(huì )受復位改變嗎?當然!但鎖存器干什么啊?!

如何知道程序能運行多久?下一條運行指令運行到那?

如果任何時(shí)刻，你自己編的程序運行在那個(gè)片區，你都不知道，那還叫什么搞軟硬件的要天人合一啊?!

系統任務(wù)不忙的情況下，你的看門(mén)狗定時(shí)復位方法還可以，但是。。。好多情況下似乎做不到呀。我的51系統只有200微安省電是個(gè)大難題，特別是51，但只有用心還是可以做到的，特別是工作任務(wù)少的時(shí)候。我的一個(gè)水文遙測系統，用12伏電池供電耗電只有200微安，有8Mbit data flash，一個(gè)調制解調器，一個(gè)時(shí)鐘，一個(gè)485通信口，一個(gè)232通信口，還有6個(gè)數碼管，是不是夠多的了，但它們平時(shí)都不工作，我也是用看門(mén)狗復位來(lái)喚醒51單片機的，每1.6秒一次，用的是x25045，可是25045的復位時(shí)間有200毫秒之多，實(shí)驗發(fā)現，51從掉電返回到正常工作只要有30個(gè)毫秒足了，別小看節省的這一百多毫秒，因為51在每次醒來(lái)是只要發(fā)現沒(méi)有任務(wù)就可以馬上POWERDOWN了，所以加了一個(gè)CMOS的單穩來(lái)復位。其它的就是口線(xiàn)的狀態(tài)一定要注意，不要讓它吸收電流也不要輸出電流，要是做不到可以試著(zhù)加一此電路，如反相器.

穩壓電源是個(gè)要權衡的事，雖然開(kāi)關(guān)穩壓有較高的效率，但在低功耗設計不一定對，開(kāi)關(guān)電源本身消耗的電流就是一個(gè)大問(wèn)題，一個(gè)微安級的系統也許要特別對待，我用的是max667線(xiàn)性穩壓數微安靜態(tài)電流.我想開(kāi)關(guān)電源做不到對于外部事務(wù)頻繁的應用，無(wú)法使用掉電方式雖然很多51芯片支持外中斷觸發(fā)芯片脫離POWER DOWN狀態(tài)(如華邦的W78E58、W77E58)，但還是解決不了串行通信的問(wèn)題，而且對于需要內部精確定時(shí)的場(chǎng)合，從POWER DOWN到正常工作需要很長(cháng)時(shí)間，這個(gè)恐怕還是難于讓人接受。莫非沒(méi)有一個(gè)廠(chǎng)家可以產(chǎn)出高速小功耗的51芯片?沒(méi)到理呀，PHILIPS不是玩了很久嗎?怎么弄出的芯片在12MHz下還是大于10mA，休眠也有幾個(gè)mA，這也吹牛沒(méi)下功夫嘛!

用51做低功耗，太累了低功耗多得是，象PIC、EMC輕松做到20uA以下，51有POWER DOWN，但只能復位喚醒，有少數可用INT喚醒，太麻煩。有些有雙晶體的單片機，做低功耗最簡(jiǎn)單，平時(shí)用32768工作也只有20uA，這種單片機一般帶有LCD。EMC內有PLL單片機做功耗系統很方便，象78565，567，功能強價(jià)格低samgsung的單片機可以做到565匠人也用過(guò)。平時(shí)進(jìn)IDLE模式，功耗只有幾個(gè)UA分級供電和外部喚醒確是一種可行的辦法 在分級供電中要注意的是如果電源是小電流的穩壓器件最好有一個(gè)比較大的蓄電電路，要不然單片機喚醒和上電時(shí)可能會(huì )起動(dòng)不了，而且可能會(huì )進(jìn)入一個(gè)不希望的振蕩期，比如單片機要起振，電流增大，這時(shí)電源供不起，電壓就下降，引起的是單片機又停振電壓又回升!所以一個(gè)合理的電源管理電路就顯得很關(guān)鍵，這方面的專(zhuān)業(yè)IC將是未來(lái)一個(gè)很有前途的產(chǎn)業(yè)!這個(gè)IC應有一個(gè)內部低速的定時(shí)器和一個(gè)專(zhuān)門(mén)的蓄電管理電路，當電路進(jìn)入低功耗后應該將蓄電電路沖滿(mǎn)以備喚醒和大功耗時(shí)用，這種電路主要用于小電流供電的環(huán)境，它可以為小電流供電環(huán)境提供一個(gè)短時(shí)間的大電流工作。 另外單片機的耗電除了核本身的耗電外，大多是IO口的耗電，大家可以通過(guò)降低主頻，將IO口置在比較合適的狀態(tài)來(lái)達到一個(gè)比較省心又省力的方式。而且不全理的頻繁喚醒有時(shí)會(huì )帶來(lái)更多的電耗!

用TI的單片機MSP430系列非常省電。正常工作時(shí)幾百微安，掉電時(shí)約1微安87LPC76X低功耗51，32k時(shí)20uA使用雙振的單片機，在系統不忙的時(shí)候使用32768的晶振，同時(shí)進(jìn)入SLEEP這樣處理通常耗電都在幾個(gè)uA.在處理SLEEP喚醒后的程序需要小心處理，特別是臺灣的單片機，有時(shí)廠(chǎng)家給出的資料都要小心，我碰到過(guò)。我不知道您是用的哪家的51單片機，功耗能做到這么低。據我所知ATMEL89C52 Powerdown mode下最少是40微安。您的系統中有這么多的器件，即使都是低功耗可關(guān)斷的器件，那你的系統每次工作時(shí)都要啟動(dòng)所有的器件才能運轉起來(lái)，這個(gè)啟動(dòng)過(guò)程是多長(cháng)呢?還有您的單片機不會(huì )工作在12V的，你還需要一個(gè)電壓變換器，它平時(shí)不用電的嗎?你的CMOS單穩不用電的嗎?據我所知常用的485，232，modem，flash都不是低功耗可關(guān)斷的，如果您都使用的是特殊器件，那實(shí)用的意義何在呢?或者您使用了其他器件來(lái)控制這些耗電多的設備，那您一定是硬件高手了?？煞裰更c(diǎn)一二?

高速51： C8051FXXX在1M指令流下，VDD僅僅1.5mA用IO口控制RC振蕩頻率?

用RC振蕩方式，并將IOSI口接一個(gè)電阻到IO口上。通過(guò)切換IO口的電平來(lái)切換頻率，方法如下：

功耗，在電池供電的儀器儀表中是一個(gè)重要的考慮因素。PIC16C××系列單片機本身的功耗較低(在5V，4MHz振蕩頻率時(shí)工作電流小于2mA)。為進(jìn)一步降低功耗，在保證滿(mǎn)足工作要求的前提下，可采用降低工作頻率的方法，工作頻率的下降可大大降低功耗(如PIC16C××在3V，32kHz下工作，其電流可減小到15μA)，但較低的工作頻率可能導致部分子程序(如數學(xué)計算)需占用較多的時(shí)間。在這種情況下，當單片機的振蕩方式采用RC電路形式時(shí)，可以采用中途提高工作頻率的辦法來(lái)解決。體做法是在閑置的一個(gè)I/O腳(如RB1)和OSC1管腳之間跨接一電阻(R1)，如圖1所示。低速狀態(tài)置RB1=0。需進(jìn)行快速運算時(shí)先置RB1=1，由于充電時(shí)，電容電壓上升得快，工作頻率增高，運算時(shí)間減少，運算結束又置RB1=0，進(jìn)入低速、低功耗狀態(tài)。工作頻率的變化量依R1的阻值而定(注意R1不能選得太小，以防振蕩電路不起振，一般選取大于5kΩ)。

改用C8051Fxxx，20MHz 僅僅10mA，若降到1MHz，可以做到1~2mA;

或是干脆采用MSP430，一般1mA，稍稍采取措施，馬上可以接近零功耗!

大家不要以為更換CPU是很難的事情，我們僅僅用2周就更換成功CPU先天不足，51低功耗沒(méi)前途的msp430，m16等有很多低功耗單片機，功能強，又是精簡(jiǎn)指令，全天uA級工作成本也是關(guān)鍵，不一定非要低功耗器件。我覺(jué)得要很好的利用單片機的中斷和休眠功能，單片機盡可能的處于休眠等待狀態(tài)，同時(shí)注意空閑IO口的狀態(tài)，輸出的最好置低，輸入的要視外圍電路而定，不用的腳要處理好，不是簡(jiǎn)單不接就可以的

另外，外圍電路可以做分區域的電源開(kāi)關(guān)，不用時(shí)，關(guān)閉電源，并將與其相連的單片機的IO口置低，減少信號線(xiàn)饋電。不知說(shuō)的對不對。

剛開(kāi)始做電池產(chǎn)品時(shí)，只有8031 ，考慮用PSEN什么的控制外部RAM，休眠方式，但是還是在十毫安級。 現在好了，有許多型號單片機本身就是低功耗，為了減少體積，還要追求更低。

1.系統設計，好的系統設計是降低功耗的關(guān)鍵。 減少外圍器件，降低晶體頻率?？梢圆捎脦cd，ad，實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能的單片機，即降低成本，又減少了故障率，可謂一舉兩得.HOLTEL，PHILIPS，PIC 都有此類(lèi)單片機。 低的主頻也可以降低功耗，如ZILOG的單片機可以程序控制對主頻的分頻，在不忙時(shí)把頻率降低，需要時(shí)在提高。 HOLTEK的可以采用雙頻率工作，高主頻可以關(guān)閉，32768可以提供內部精確計時(shí)，還可以激活休眠的單片機工作。

2.降低系統電壓，可以降低功耗。

3.合理處理不用的IO口，最好設為輸入態(tài)。對外圍電路也要考慮，如光耦，盡量使其導通態(tài)斷開(kāi)態(tài)。驅動(dòng)三極管的狀態(tài)。還有就是上拉，下拉電阻值，太小也會(huì )造成漏電。

Mega8的一個(gè)特點(diǎn)是帶有內部的RC振蕩器，別小看他，他與晶振的不同之處在于他的起振時(shí)間很短，只要幾u(yù)S，而晶振一般要幾十mS，所以低功耗設計時(shí)一定要用，430的宣傳不是也講起動(dòng)時(shí)間6uS嗎，那一樣是指的RC振蕩開(kāi)始工作的時(shí)間。我得設計靜態(tài)電流50uA，實(shí)際只是LCD模塊的電流，單片機平時(shí)處在掉電的狀態(tài)。每隔1S倍液晶模塊喚醒一次，作一次顯示的刷新工作，耗時(shí)約4mS，正常工作時(shí)如果有脈沖來(lái)的話(huà)，就作一些運算，脈沖頻率50Hz，每次運算不過(guò)200uS，這樣下來(lái)，正極的功耗大大降低，加上一些外圍電路，平均在100uA以下。