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嵌入式系统低功耗设计 低功耗嵌入式系统应用实例 嫦娥二号中的低功耗系统 计算机功耗 功耗：设备输入功率和输出功率的差额 计算机是一种电子设备，正常工作必定产生功耗 独立工作的嵌入式系统，如果没有输出功率，其消耗的电能最终都转化热量 过高的功耗会带来散热、能源浪费、电磁干扰、稳定性降低、安全隐患等一系列问题 嵌入式系统低功耗设计的重要性 低功耗设计可延长电池供电系统持续工作时间 低功耗设计是延长系统使用寿命、提高系统稳定性的需要 低功耗设计降低系统的散热要求 低功耗设计有利于节约能源 低功耗设计可减少系统的电磁辐射 低功耗设计可提高系统的安全性 计算机主板中的散热器 功耗类型 静态功耗：门电路的状态不发生翻转时，门电路的功耗，CMOS门电路的静态功耗非常小 动态功耗：当门电路状态发生翻转时产生的功耗。电平发生翻转时，会产生瞬间的大电流，并引起负载电容的充/放电，产生较大功耗 动态功耗是影响系统功耗的主要因素 CMOS非门电路结构 当VIN=0V时，TN截止，TP导通，VOUT≈VDD，为高电平 当VIN=VDD时，TN导通，TP截止，VOUT≈0V，为低电平 CMOS非门电路在静止状态下，总有一个MOS管处于截止状态(nW级功耗) CMOS门电路动态功耗包括两个部分：电容充放电功耗、瞬时导通功耗 CMOS门电路电容充放电功耗Pturn 当输入翻转为“0”时，TP导通，电源通过PMOS向负载电容充电 当输入翻转为“1” 时，负载电容通过TN向地放电。 随着CMOS门电路状态的改变，负载电容上不断发生充、放电过程，从而产生功耗，这就是电容充放电功耗 电容充放电引起的平均动态功耗 占门电路全部功耗的70%到90% CMOS门电路瞬时导通功耗Pshort 实际应用中，转移曲线并不是理想的方形，BCDE时间不为零，零内阻的MOS管会在电源与地之间形成直接短路的现象 对大多数芯片，瞬时导通功耗占总动态功耗的5%到10% 电路功耗的组成 P=Pturn+PShort+PLeakage ：CMOS门电路总的平均动态功耗 电容充放电功耗和瞬时导通功耗组成的动态功耗是主要因素，静态功耗的影响较小 动态功耗是总功耗的主要部分，但静态功耗也是不可忽视的一部分 电路系统功耗设计的基本原则 电源电压宜低不宜高，工作电压的降低可以显著减少系统功耗。 时钟宜慢不宜快，所以在满足需求的前提下，尽可能降低系统工作时钟的频率。 系统宜静不宜动，在没必要的时候，可停止系统的工作，如关闭工作时钟、停止对内存的访问、停止总线的时序操作等 系统级硬件功耗控制方法 选择低功耗器件 采用低功耗电路形式 充分利用器件的低功耗工作模式 选择低功耗电源电路 分区分时供电 动态电压与频率调节 其它硬件功耗控制方法 选择低功耗器件 CMOS器件具有低功耗、高输入阻抗的特点，广泛采用CMOS器件可降低嵌入式系统功耗 选择处理器时，不仅要关注其计算速度、接口和功能的多少，还要关注其功耗特性 选择存储器、接口控制器等器件时也要考虑功耗的问题 采用低功耗电路形式 采用低功耗电路形式 采用低功耗电路形式 充分利用器件的低功耗工作模式 从处理器，到各类接口控制、存储器，很多都有不同的功耗模式 软件控制S3C44B0X时钟发生器是否向各个功能模块提供时钟，从而实现功耗的控制 S3C44B0X有5种功耗模式：正常模式、慢速模式、停机模式、IDLE模式、SL IDLE模式 选择低功耗电源电路 嵌入式系统需要直流供电。通常情况下，先由外部直流电源或电池提供初级的直流供电，在电路板上再用DC-DC电源电路将输入电压变换为电路需要的各种电压 DC-DC电源电路会产生功耗，电压转换效率越低，功耗越大。在嵌入式系统的低功耗设计中，电源电路自身的功耗是一个需要重点考虑的因素 线性稳压电源原理 缺点：效率低、功耗大、常需要散热 优点：稳定性高、纹波小、电磁兼容性能好、电路简单 集成线性稳压器 DC-DC开关电源 Boost升压型电源 Buck降压型电源 Boost升压型电源变换电路原理 当开关管导通时，二极管可防止电容对地放电，输入电源对电感充电；当开关管断开时，电感存储的电能向电容充电，使电容两端电压升高。如果电感量、电容量足够大，开关管通断的过程不断重复，可以在电容两端得到高于输入电压的电压。 Buck降压型电源变换电路 通过开关管的通断，将输入直流电压变为方波，再利用LC滤波电路对方波进行滤波，得到比输入电压低的输出电压。输出电压与方波的占空比及开关频率有关。 DC-DC开关电源特点 优点：效率可以达到90%左右，不会象线性电源那样产生大量的热量 缺点：电磁辐射，输出纹波较大，电路更复杂 集成开关电源控制器 嵌入式系统电源电