硬件设计之低功耗设计

Ber_thaw99

现象一：我们这系统是220V供电，就不用在乎功耗问题了1 Z/ T$ ?/ r1 B3 Z4 D" d4 v
点评：低功耗设计并不仅仅是为了省电，更多的好处在于降低了电源模块及散热系统的成本、由于电流的减小也减少了电磁辐射和热噪声的干扰。随着设备温度的降低，器件寿命则相应延长（半导体器件的工作温度每提高10度，寿命则缩短一半）
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现象二：这些总线信号都用电阻拉一下，感觉放心些
; Q1 t1 U* {5 B# ?! [$ g2 j4 y& [点评：信号需要上下拉的原因很多，但也不是个个都要拉。上下拉电阻拉一个单纯的输入信号，电流也就几十微安以下，但拉一个被驱动了的信号，其电流将达毫安级，现在的系统常常是地址数据各32位，可能还有244/245隔离后的总线及其它信号，都上拉的话，几瓦的功耗就耗在这些电阻上了（不要用8毛钱一度电的观念来对待这几瓦的功耗）。2 o- h9 a/ S/ |
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现象三：CPU和FPGA的这些不用的I/O口怎么处理呢？先让它空着吧，以后再说
2 u- u& j) x1 \点评：不用的I/O口如果悬空的话，受外界的一点点干扰就可能成为反复振荡的输入信号了，而MOS器件的功耗基本取决于门电路的翻转次数。如果把它上拉的话，每个引脚也会有微安级的电流，所以最好的办法是设成输出（当然外面不能接其它有驱动的信号）5 |9 M! {8 e9 o. p# u
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现象四：这款FPGA还剩这么多门用不完，可尽情发挥吧
点评：FGPA的功耗与被使用的触发器数量及其翻转次数成正比，所以同一型号的FPGA在不同电路不同时刻的功耗可能相差100倍。尽量减少高速翻转的触发器数量是降低FPGA功耗的根本方法。
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现象五：这些小芯片的功耗都很低，不用考虑
点评：对于内部不太复杂的芯片功耗是很难确定的，它主要由引脚上的电流确定，一个ABT16244，没有负载的话耗电大概不到1毫安，但它的指标是每个脚可驱动60毫安的负载（如匹配几十欧姆的电阻），即满负荷的功耗最大可达60*16=960mA，当然只是电源电流这么大，热量都落到负载身上了。
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: l1 Q; r+ M7 H1 U: N现象六：存储器有这么多控制信号，我这块板子只需要用OE和WE信号就可以了，片选就接地吧，这样读操作时数据出来得快多了。
点评：大部分存储器的功耗在片选有效时（不论OE和WE如何）将比片选无效时大100倍以上，所以应尽可能使用CS来控制芯片，并且在满足其它要求的情况下尽可能缩短片选脉冲的宽度。
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5 l9 C6 \1 {! K  A9 z: X现象七：这些信号怎么都有过冲啊？只要匹配得好，就可消除了: u( o9 e2 c9 E5 j4 x/ M
# I& _. S; @5 U$ a  S- f! i# K$ u点评：除了少数特定信号外（如100BASE-T、CML），都是有过冲的，只要不是很大，并不一定都需要匹配，即使匹配也并非要匹配得最好。象TTL的输出阻抗不到50欧姆，有的甚至20欧姆，如果也用这么大的匹配电阻的话，那电流就非常大了，功耗是无法接受的，另外信号幅度也将小得不能用，再说一般信号在输出高电平和输出低电平时的输出阻抗并不相同，也没办法做到完全匹配。所以对TTL、LVDS、422等信号的匹配只要做到过冲可以接受即可。: u4 f; K" @( i3 z
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3 q2 Q8 B- M, ]6 s现象八：降低功耗都是硬件人员的事，与软件没关系
点评：硬件只是搭个舞台，唱戏的却是软件，总线上几乎每一个芯片的访问、每一个信号的翻转差不多都由软件控制的，如果软件能减少外存的访问次数（多使用寄存器变量、多使用内部CACHE等）、及时响应中断（中断往往是低电平有效并带有上拉电阻）及其它争对具体单板的特定措施都将对降低功耗作出很大的贡献。
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现象九：电源电路都一样么？
! R. p: l7 b( h8 q在常见的开发板中，广泛采用了78XX、LM1117等系列三端稳压器，但这些稳压芯片却并不适合进行低功耗产品设计。低功耗设计若要进行稳压电路设计，必须采用低功耗的LDO，如TI的TPS797系列，自身功耗仅1.2uA。2 C- _( n# E& l$ A
对于采用1.5V电池供电的产品，就要采用低功耗的升压电路。如TI的TPS6030X采用电荷泵结构，增加几个外接电容能够在0.9~1.8V输入电压范围内保证3V或3.3V稳压输出，自身功耗只有65uA。并且带有开关脚EN，EN接低电平时输出关闭，功耗下降到1uA以下。
: Y' G, z6 v# T1 Q$ |8 ?: w对于在电池不同的电压时，分别要进行升压或者降压的电路，可以使用低功耗的升降压稳压电路，如TI的TPS630，可以在1.8V~5.5V电压范围内，稳定地输出3.3V电压。当然，这种电路比低功耗LDO的功耗要略高，它静态功耗为30~50uA。
6 `" ?& _7 m6 d0 M5 R: M稳压电源是个要权衡的事，虽然开关稳压有较高的效率，但在低功耗设计不一定对，开关电源本 身消耗的电流就是一个大问题，一个微安级的系统也许要特别对待，我用的是max667线性稳压数 微安静态电流．我想开关电源做不到
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现象十、运放的功耗都一样么？, T% C2 ]. D- U  ?* Q; I7 N
对于各种传感器，大量信号调理电路被采用。而非常多的经典的信号调理电路却并没有考虑功耗问题。对于低功耗产品设计，应该采用低功耗的信号调理电路。比如采用低功耗运放，TLV2241等每运放功耗仅1uA。低功耗的同向放大器或反向放大器，低功耗的I/V变换电路，低功耗的仪表放大器等等& v7 P2 a" o+ B" P
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