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降低单片机功耗的方法(6)

电源管理在一定程度上能够解决二者之间的矛盾,其核心是工作电压和工作频率随测量和控制的精度与速度而动态实时改变,方法是在精度和速度要求较高的时间段内,提高电压和工作频率,在精度和速度要求较低的时间段内,降低电压和工作频率,在不进行测量和控制的时间段内,关闭电源和时钟。对于同一器件内的不同的部件,也可以根据需要对其工作电压和工作频率升高、降低或关闭。电源管理实质上是降压和降频2种方法的交叉和综合运用。

对外围器件来说,这种实时改变是很容易的,只要在该器件容许的工作电压和工作频率范围之内,编制相应的调整控制软件即可。但对于单片机本身而言,是自己调控自己,而且不能中断程序的运行,这种在运行过程中动态改变的功能,称之为应用可编程(IAP)。

早期的单片机如MCS51/96系列,MC6805,MC68HC11系列,TMS320系列等不具备实时变化时钟频率,因此该功能无法实现。现在许多单片机都提供了运行中改变时钟频率的功能,只需改变预分频器的分频数,如P87LPC系列、MSP430系列、PIC16系列,使得上述电源管理有了实现的基础。

对于工作电压的改变,还未见到在工作过程中能连续自动调节电压大小的器件。通常所谓的宽工作电压,是指器件电源电压可以在较大范围内变化,对于每一确定的电压,器件都能够稳定、可靠地工作,这是实施电压连续变化的基础。电池供电时电压会连续变化(逐渐降低),但电压不能控制,也无法升高;电源变换器DC-DC与上述功能要求较为接近,电压可以连续变化供电,但是不能与单片机直接接口,另外,进行电源功率变换时,输入电压越低,输入电流越大,转换效率降低,效果仍不理想。经常使用的D/A转换器,它的输出电压能够连续变化,但由于设计该器件的目的不同,其本身功耗较大,输出电流太小,还不能作为低功耗系统的电源管理器件使用。但随着技术的发展和需求的增加,控制电源电压连续变化会像改变频率那样方便,进而达到IAP状态。

目前在单片机系统设计中提出了零功耗设计的概念,零功耗是指在系统中没有任何功耗浪费,即在系统运行中,所有时间、空间上的无效操作都没有功耗,系统处于理想功耗运行之下。在零功耗系统中,所有器件包括处理器及外围器件,都必须具备功耗管理功能。但在实际系统设计中,只有零功耗系统设计并不能实现系统的最小功耗,因为有效操作时系统的功耗过大,以及非有效操作时系统的功耗远不为零,都会影响实际系统的最小功耗,只有低功耗设计与零功耗设计结合,才可实现系统的微功耗。

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