浅谈基于单片机的电池供电设备的微功耗设计策略

icxinpjm 发表于 2009-11-04 11:29:07

在预付费式水表、气表、热表、数字流量计等应用中,一般采用电池供电。合理地设计这些单片机系统,可以在不换电池的情况下,能连续工作数年时间。要满足这些要求必须在设计中解决好单片机系统的微功耗问题,必须从单片机的选择、单片机的设计与使用、外部电路的设计以及电源供电方面综合考虑。     
对于大部分单片机系统,由于单片机的运行速度很快,单片机在工作的过程中有大量的空闲等待时间。在某些情况下,系统的等待时间甚至可以达到总工作时间的95%以上。在等待过程中,单片机不作任何工作,只是在踏步等待,或者在循环判断有无新的外部请求。在这个过程中,可以让单片机内部的大部分电路工作在休眠状态,可以大大地降低单片机的功耗。同时,也可以让有关的外部电路工作在休眠状态,这样就使整个产品的供电大大降低。产品的这种非连续工作的特点是微功耗设计的基本思路,此外,还要根据产品的特点醉意更多的设计细节。
选择合适的CPU芯片是微功耗设计的关键
目前的单片机种类很多,而且大都针对某一个特定的应用,可根据具体应用情况选择合适的单片机。在需要进行微功耗设计的应用中,可以根据下面的规则来选择:
1. 选择尽可能减少外部电路的单片机。随着集成电路工艺技术的飞速发展,真正单片化的单片机系统已逐步成为主流产品。
2. 注意比较工作电流和静态电流。由于工艺的不同,单片机内部工作电流、静态电流不尽相同,有的甚至相差很大。在选择单片机时,不但要考虑其工作电流,还要仔细考虑其在休眠状态下的静态电流。
3. 通过比较可以看出,选用专用的低功耗单片机,可更加灵活地控制其功耗,在满足设计要求的前提下使其尽可能工作于最省电的模式。
4. 选择合适的ROMRAM。一般来讲,存储器越大功耗也越大。在满足设计要求的情况下,尽可能使用单片机内部的ROMRAM
5. 选择合适的工作时钟频率。在较低的时钟频率下,单片机的功耗也较低。以MSP430F1121为例,当工作在1MHz的主频之下,典型电流消耗为300uA;而工作在4096Hz的主频之下,其电流只有3uA
6. 选择合适的IO管脚数,和合适的IO驱动能力和显示驱动能力。单片机驱动的IO管脚数越多,其功耗也就越大。
7. 选择合适的单片机,实现真正意义上单片化,可以省去了大量的硬件开发调试工作,提高了工作效率,系统的可靠性、抗干扰能力得到了显著的改善,同时使系统成本降低,更加适合微型化和便携化,对降低系统功耗有着决定性的作用。
低功耗设计策略
a. 使内部电路可选择性地工作
一般,设计中不会用到全部的单片机内部电路,而那些没有用到的电路将产生额外的功耗。在需要进行微功耗设计的应用中,可以通过对内部特殊功能寄存器编程,选择使用不同的功能模块,对于不使用的功能模块使其停止工作,减少系统无效功耗。
b. 产品的低电压设计可以降低产品功耗
一般,单片机的工作电压越高,内部晶体管在放大区的工作时间也越长,单片机的功耗也就越大。由于采用先进的芯片生产工艺,使单片机的电压范围一般很宽,如可以在1.8V5V电源电压范围内正常工作。为了降低系统功耗,可尽量采用低电压设计。
单片机供电电压范围的放宽,可以进一步拓宽单片机的应用领域,尤其是便携式或掌上型设备中,可以放心地使用电池作为电源,而不必关心放电过程电压曲线是否平衡、在低电压下是否会影响单片机正常工作,更不必因电池供电而专门增加稳压电路,从而可减少大量的功率消耗。
c. 在空闲状态时,采用低速时钟信号
单片机的功耗与其工作频率成正比,系统运行频率越高,电源功耗就会相应增大。图1所示为Philips公司的80C31单片机Vcc上的电流与主时钟频率的关系曲线,可以看出随着单片机主时钟频率的增加,其Vcc上的电流也呈线形增加,则其功耗也随着主时钟频率的增加而增加。
为更好地降低功耗,在许多单片机的内部集成了两套独立的时钟系统,即高速的主时钟和低速的副时钟,在不需要高速运行的情况下,可选用低速的副时钟,维持内部基本的定时要求。某些单片机的主时钟也可通过功能寄存器来重新设定,在满足功能需要的情况下,按一定比例降低主时钟频率,以降低电源功耗。可在程序运行的过程中,通过软件对特殊功能寄存器赋值在线改变时钟频率,或进行主时钟和副时钟切换。
d. 尽可能工作在休眠模式
为降低功耗,通常单片机都提供多种工作模式,当处于空闲时进入休眠模式,当有一个事件提出中断请求时,可以快速地返回到正常的运行模式,这样既可以保证系统节电,又不影响正常的工作。
不同的单片机会有不同的工作模式,如51系列的单片机有空闲模式和掉电模式。在不同的工作模式中,单片机内核中某些功能模块将设置为休眠状态。如MSP430系列单片机有6种不同的工作模式,除了一种是正常的运行模式(active mode)以外,其余五种均是低功耗模式,在这些模式下可以分别将CPU、内部时钟、内部总线、直至内部晶振全部关闭,使单片机的耗电降为最小。只有发生中断请求或复位时,系统被唤醒进入正常运行模式。
外部电路的微功耗设计
单片机周边电路的微功耗设计十分复杂,对产品的整体耗电而言也非常重要。复杂,庞大的周边电路将会带来很大的电源消耗,因此,应尽量少选用外部电路,尽可能利用单片机内部的资源。
作为一个用电池供电的设备而言,其静态功耗最好为几微安~几十微安,由于这部分电流是在待机状态下加在设备上,是常供电电流,在系统不工作的情况下将造成很大的电能浪费。因此在设计中,应该使外部电路最少,并减少外部电路在静态需要供电的部分。同时,还需要考虑以下问题:
1. 系统中单片机以外的其它器件尽可能选用静态功耗低的器件,如尽量选用CMOS芯片,少用双极性的晶体管门电路,因为双极性电路需要一个恒定的维持电流,增加了电路的静态功耗。
2. 按照芯片的要求,将不用的引脚接至地或者高电平,悬空的输入脚将会增大芯片的静态电流
3. IO管脚上尽量少用上拉或下拉电阻,这些电阻将消耗一定的静态电流。
4. 数据采集的模拟部分的设计可以采用一种轨对轨(rail-to-rail)BiCMOS运算放大器,LMV824用于替代LM324时,电源可低至2.5V,单位带宽到5MHz,仅250μA/通道。
5. 设计外部器件的电源控制电路,使外部器件或设备在不工作时关断供电,减少无效功耗。低功耗器件的价格一般稍高一些,如果价格允许,通常都可以找到相应的低电压、低功耗的替代产品。
6. 多用电压驱动电路,少用电流驱动电路。例如,要显示运行结果、当前状态或控制信息,通常有LCD显示器、LED显示器两种选择。用LCD输出,一般只有几个微安的电流;而用LED则会有几十毫安的电流。

IC设计知识产权保护,微芯科技起诉未果招来麻烦

icxinpjm 发表于 2008-10-22 12:14:01

    美国微芯科技(Microchip)针对中国本土MCU厂商上海海尔集成电路的知识产权诉讼至今还没有结果。不过这家公司最近却可能因为此事反倒碰到了一些麻烦。据业内消息人士透露,上海海尔早些时候发起的有关微芯科技在中国的一项专利无效的申诉近日得到中国国家知识产权局的最终裁定结果,结果认定,专利无效。

    据悉,此项已被裁定无效的专利是一项有关MCU结构和指令集的发明专利,专利号为00800648.2。它是PIC18系列架构MCU的一项核心专利技术。由于涉及到微芯的中高端系列上百款产品,它对微芯目前的市场地位和未来走向将会构成重大影响。

    微芯科技于2007年7月首次提出对上海海尔的知识产权诉讼。该公司指控后者侵犯了其数据手册和微程序的著作权。随后,这家MCU市场的老牌供应商又对上海海尔在中国国家知识产权局申请的15项专利申请了无效申诉。业内人士指出,作为中国本土唯一一家与微芯科技产品直接竞争的MCU供应商,上海海尔遭到起诉也在情理之中。

这可以理解为,面对本土IC设计等高科技产业的崛起和竞争,国外大厂商总认为中国企业是通过IC解密,IC反向设计等手段,复制其技术,殊不知中国本土IC设计等高科技产业已经崛起,并有着自己的自主知识产权,现在不光是国外厂商保护知识产权,中国本土IC也注重自身知识产权的保护。

国外大厂商为维护其既得利益、保持其高额垄断利润,为将竞争对手扼杀在成长初期,在正常的市场竞争手段之外,依仗其雄厚的资金实力,纷纷采取一些非市场性、非常规性的竞争策略,对本土企业进行遏制。微芯与上海海尔之间的知识产权争端,就正是上述这种趋势日趋发展的端倪,是国外大公司以维护知识产权的名义对本土高科技企业进行打压遏制的代表性事件。有分析家这样认为。

中国首块自主研发会议系统芯片问世

icxinpjm 发表于 2008-10-15 15:15:03

作为北京奥运会、APEC大会等众多国际重要会议的会议系统提供商,深圳市台电实业有限公司13日在高交会上宣布:中国首块“会芯”深圳问世。据介绍,该芯片是中国企业在国外技术封锁下自主研发的第一块会议系统芯片,具有高保密、抗干扰、高性能、多功能等特点,它的成功研制打破了同类芯片在全球范围内被外企独家垄断的局面,堪称“中国会议系统第一芯”。业界专家表示,“会芯”的成功研制,标志着中国会议系统自主研发和技术创新达到了国际领先水平。

该芯片具有高保密、抗干扰、高性能、多功能的特点,一般的芯片解密手段,无法对其进行解密,从而增加了芯片的安全性和保密性。这是中国芯片自主研发的重要一步。

据介绍,“会芯”是基于台电公司独创的一项新技术实现的,这项新技术可将语音信号和数据进行数字编码、数字调制,然后利用红外线进行传输,可以实现多路语音信号和数据的双向传输与控制,集数字化、无线化和红外传输技术的优势于一体,是理想的会议系统无线化解决方案。利用此项新技术,台电公司推出了数字红外无线会议系统和数字红外语言分配系统。其中,数字红外无线会议系统是全球首创,其成功研制是国际会议系统领域的一个重大技术进展,解决了多年以来无线会议系统在会议私密性和音质表现上难以两全的困境,因而具有广阔的市场前景。目前该项技术台电公司已经申请了国内和国际的发明专利,深圳台电公司也因此而成为国际上仅有的两家拥有数字红外语言分配系统核心技术和自主知识产权的厂商之一。

中芯国际与上海高清联合推出解调芯片

icxinpjm 发表于 2008-10-15 15:13:43

  据新浪科技报道,中芯国际和上海高清数字科技产业有限公司(以下简称“上海高清”)日前宣布,双方采用130纳米工艺批量生产了中国地面数字电视国标解调芯片HD2812和HD2910在奥运期间,采用该系列芯片的高清电视机、高清机顶盒既满足了奥运城市观众收看奥运比赛高清电视信号的需求,同时以该系列芯片为核心的“神州家家通”技术方案也让更多的边远农村、山区的观众看到了更多的奥运比赛电视信号。

  HD2812和HD2910芯片是完全符合中国地面数字电视传输标准GB20600-2006(以下简称国标)的地面数字电视传输解调芯片。二者皆可被广泛应用于机顶盒、数字电视一体机、移动和便携式地面数字信号接收机等多个领域,支持高清及标清电视以及其它多媒体服务的广播传输,支持各种复杂条件下的固定和高速移动接收。其中,HD2812 具备完备的国标单载波信号的信道解调功能并内部集成AD采集器和锁相环,可以支持模拟中频输入,有效降低了成本;HD2910具有卓越和全方位国标单、多载波的地面信道解调功能,支持地面国标的所有技术模式和选项的接收解调,具有强大的载波和定时回复能力,均衡器可应付强回波以及优异的同频和邻频干扰抑制功能。它同时具备高集成性等特点,内部集成AD采样器和锁相环,进一步降低板级BOM成本,便于用户使用。

  该产品的开发、量产是在上海高清和中芯国际的合作下完成的,上海高清提供了完整的系统设计方案及ASIC设计,而中芯国际负责将样品进行量产。正是由于这种密切合作的关系,才促进上海高清的国标芯片第一批进入国内外市场,并能及时为北京奥运会提供优质服务。这从另一方面也体现出了中国企业,芯片解密技术和芯片设计技术的强大,中国的芯片产业,正在逐步想更高的层次发展。目前,东芝、三星、LG、SONY、松下等国外品牌和海信、创维、康佳等国内各大电视机厂商都已经推出装有这两款芯片的高清数字电视一体机,新大陆、宁波弘扬、江苏银河等机顶盒厂商也推出了高清数字电视接收机顶盒,奥运期间,许多奥运城市的观众收看到了更为清晰的高清数字电视转播的比赛信号。另外,奥运前,上海高清在全国许多地区的广播运营商密切合作,大力推广和发展基于国标单载波技术的“神州家家通”业务,让更多的边远山区和农村的广大观众第一时间看到了更多更精彩的奥运比赛节目。

比较过去六年看台湾IC现状与忧患

icxinpjm 发表于 2008-10-15 15:12:32

过去台湾IC设计和IC解密公司能够蓬勃发展,是因为PC产业的带动。在联电、华邦、旺宏主导的那段IDM时代,他们都培养出很多IC设计人才,所以后来这些人离开后,台湾的IC设计和IC解密公司也不缺人才,也就此创造出许多成绩。虽然台湾IC设计业还在成长,但也不是没有隐忧。现在已经进入通信与消费性时代,如果IC设计和IC解密公司能抓住通信与消费产品,才有可能继续稳健成长。
关键词(Tag): 忧患 ic解密 ic设计 台湾ic