电源通常被认为是整个嵌入式系统的“心脏”,绝大多数电子设备50%~80%的节能潜力在于电源系统。研制开发新型开关电源是节能的主要举措之一。 近年来许多公司相继推出一系列功能齐全、种类繁多的低功耗器件,具有种类更多、功耗更低、体积更小、使用方便等特点。
电路的设计与元件的选取是同时或交叉进行的。在功能要求相同的情况下,不同的人可以设计出不同的电路,虽然功能可以相同,但电路功耗却往往相距甚大。电路设计和元件选取考虑的因素很多,对其中需要注意的地方进行介绍。
1、采用低功耗器件
几乎所有的TTL工艺的逻辑电路、单片机、存储器以及外围电路都有相应CMOS工艺的低功耗器件,采用这些器件是降低系统功耗最直接的方法。
2、采用高度集成专用器件
例如用单片机设计一个电子体温计,就没有必要采用80C51 单片机,而应该采用Epson、Holtek等生产的专用于测量体温的单片机,其内部集成了测量体温所需要的ADC、振荡器、电压基准、LED显示驱动等部件,电路只需几个电阻电容元件整个电路可在1.2~1.5V电压下工作,功耗极低,而且可靠性、体积等都比用分离器件设计更好。DC/DC变换器在市场上有各种各样的模块供选择,而且效率高、功耗低、体积小、可靠性高,完全没必要采用分离电路搭接。
3、动态调整处理器的时钟频率和电压
在系统指标允许的情况下,尽量使用低频率器件有助于降低系统功耗。处理器根据当前的工作负载,运行在不同的性能等级上。例如,一个MPEG视频播放器需要的处理器性能比MP3音频播放器高一个数量级。因此,当播放MP3时,处理器可以运行在较低频率上,而仍然能保证播放的高质量。当时钟频率降低时,可以同时降低处理器的供电电压,以达到节能的目的。
动态电压调整技术(DVS)就利用了CMOS工艺处理器的峰值频率与供电电压成正比这一特点。减少供电电压并同时降低处理器的时钟速度,功耗将会呈二次方的速度下降,代价是增加了运行时间。
4、利用“节电”工作方式
许多器件都有低功耗的“节电”方式,如微处理器的闲置、掉电工作方式,存储器的维持工作、ADC和DAC的节能工作方式等,因此设计时充分利用其“节电”方式为达到节电的效果。
另外,合理处理器件的空余引脚也是非常重要的。大多数数字电路的输出端在输出低电平时,其功耗远大于输出高电平时的功耗,设计时应注意控制低电平的输出时间,闲置时使其处于高电平输出状态。因此,多余的非门、与非门的输入端应接低电平,多余的与门、或门的输入端应接高电平。对ROM或RAM及其他有片选信号的器件,不要将“片选”引脚直接接地,避免器件长期被接通,而应与“读/写”信号结合,只对其进行读或写操作时才选通器件。
5、实行电源管理
目前大部分的传感器、接口器件、显示器件等本身还没有低功耗工作模式,而有些便携式仪器又不可避免地要使用它们,这些器件往往成了电路中的“耗电大户”。这种情况下,可对电路进行模块设计,工作时对大功耗模块实施间断供电,即设置电源形状电路,并通过软件或定时电路控制开关,使大功耗模块电路仅在需要工作的短时间内加电,其余时间则处于断电状态。
现在便携式电子产品对供电电路的要求越来越复杂,不仅要求电源本身稳定,而且还要求有电压监测、电源管理功能,还要满足小型化、延长电池寿命等要求。便携式产品设备由于受尺寸、成本的限制,往往在着手设计供电电路之前就已经确定了电池的数量和种类。电池数量限制了电源的电压范围,直接影响电源管理电路的成本和复杂程度。对于电池节数多的系统可选用线性稳压器,电路设计简单、成本低,但转换效率相对较低;对于电池节数少的系统则须选用成本较高的开关电源,电路设计复杂,但由于减少了电池数量,电源成本可降低。
由于便携式嵌入式系统的设计需要考虑尺寸、重量、成本、电池种类、转换效率(电池工作时)等诸多因素,不同产品对以上指标的要求会有不同的侧重。例如,只是偶尔处于工作状态的产品较注重电源在空载时的静态电流,并不十分注重满荷下电源的工作效率;蜂窝电话则注重电源所能提供的峰值电流和转换效率。因此,很难研制出一种电源芯片适应所有产品的需求,嵌入式系统的多样化导致了电源芯片的多样化。