浅析DSP应用系统中降低功耗的设计办法

电路设计流程如何降低功耗与能耗电路设计在现代科技领域中扮演着至关重要的角色。

在大多数情况下，设计师需要考虑如何降低电路的功耗与能耗，以提高设备的效率和延长电池寿命。

本文将探讨电路设计流程中的几个关键方面，以帮助设计师降低功耗与能耗。

一、能耗分析与需求确定在开始设计之前，进行能耗分析是非常重要的。

设计师应该确定设备的能耗需求，以便在设计过程中有一个明确的目标。

通过对电路的功耗进行细致的分析，可以更好地确定适用的设计策略和优化方法。

二、选择低功耗组件在选择电路组件时，应该优先选择低功耗的器件。

例如，低功耗微处理器、低功耗显示屏和低功耗传感器等。

这些器件通常具有专门针对功耗优化的设计特性，并且能够在常规设计中实现功耗的降低。

三、电源设计优化在电路设计中，电源的设计也是功耗优化的一个关键方面。

设计师应该考虑使用高效的电源管理电路，以减少不必要的功耗损失。

此外，使用睡眠模式和动态电压调节等技术能够显著降低电路功耗。

四、时钟频率与时序优化通过优化电路的时钟频率和时序，可以有效降低功耗与能耗。

降低时钟频率可以减少开销、延长电池寿命。

此外，通过设计有效的时序方案，可以减少功耗损失，提高电路的整体效率。

五、优化电源线与地线布局电源线和地线布局的优化对功耗的降低也起到重要的作用。

合理规划电源线的路径和分布，避免长线路和多跳连接，可以减少功耗。

同时，良好的地线布局可以减少信号环路和地干扰，提高电路的稳定性和效率。

六、功耗模拟与验证在电路设计的早期阶段，进行功耗模拟和验证是必不可少的。

通过利用电路设计工具进行功耗模拟，可以及时发现并解决潜在的功耗问题。

此外，在设计完成后，进行实际的功耗验证也是非常重要的，以确保设计的功耗与能耗符合预期。

七、优化散热设计过高的温度可以增加电路的功耗和能耗。

因此，在电路设计中，合理的散热设计也必不可少。

通过选择合适的散热器件和散热解决方案，可以有效降低电路的功耗和能耗。

八、功耗测试与优化在电路设计完成后，进行功耗测试和优化是非常重要的步骤。

第4章时钟和低功耗模式片内集成有PLL(锁相环)电路。

外接的基准晶体+PLL(锁相环)电路共同组成系统时钟电路。

有关引脚：XTAL1/CLKIN：外接的基准晶体到片内振荡器输入引脚；如使用外部振荡器，外部振荡器的输出必须接该脚。

XTAL2：片内PLL振荡器输出引脚；CLKOUT/IOPE0：该脚可作为时钟输出或通用IO脚；可用来输出CPU时钟或看门狗定时器时钟；由系统控制状态寄存器（SCSR1)中的位14决定。

当不作时钟输出时，就可作通用I/O。

复位时，本脚配置为CLKOUT。

4.1 锁相环（PLL）PLL支持从0.5∼4倍输入时钟频率的乘法因子。

PLL还可控制低功耗操作。

PLL的倍率由系统控制状态寄存器（SCSR1)的位11∼9来决定。

如下表所示。

复位时，倍率默认为0.5。

两种时钟方式：（1）内部时钟：只需外接晶体振荡器（2）外部时钟：把外部时钟接至XTAL1/CLKIN脚2.外部滤波器电路回路用来抑制信号的抖动和电磁干扰。

电路中存在大量噪声，通过实验来确定滤波器回路元件。

5.PLL旁路方式可对片内PLL实现旁路，通过复位时拉低TRST、TMS和TMS引脚来实现。

此时改变系统时钟的唯一方法是改变输入频率，系统的时钟与外输入时钟相同。

此时，不需滤波器元件。

使用片内时钟：CLKIN的时钟频率4∼20MHz使用片外时钟：CLKIN的时钟频率4∼30MHz（对2407A为40MHz）4.2 看门狗定时器时钟当时钟CPUCLK=40MHz,WDCLK来自于：WDCLK＝CLKOUT/512=78125HzWDCLK是由看门狗定时器的外围器件生成的。

4.3 低功耗模式有一IDLE（睡眠）指令，可关闭CPU时钟，节约能耗。

当收到一个中断请求或者复位时，CPU会退出睡眠状态。

4.3.1 时钟域有两个时钟域：（1）CPU时钟域:包含大部分CPU逻辑的时钟；（2）系统时钟域：包含外设时钟（来自CLKOUT分频）和用于CPU中断逻辑的时钟。

DSP电源系统的低功耗设计自从美国TI公司推出通用可编程DSP芯片以来，DSP技术得到了突飞猛进的发展。

DSP电源设计是DSP应用系统设计的一个重要组成部分，低功耗是DSP电源系统设计的发展方向。

由于DSP一般在系统中要承担大量的实时数据计算，在CPU内部，频繁的部件转换会使系统功耗大大增加，降低DSP内部CPU供电的核电压是降低系统功耗的有效方法，因此TI公司的DSP大多采用低电压供电方式。

从一定程度上说，选择什么样的DSP就决定系统处于什么样的功耗层次。

在实际应用中，电源系统直接决定了DSP 能否在高性能低功耗的情况下工作，因此，一个稳定而可靠的电源系统是至关重要的。

TI公司最新推出的TPS6229X系列开关电源芯片有两种工作模式：PWM模式和节能模式。

在额定负载电流下，芯片处于PWM模式，高效稳定的为DSP供电，当负载电流降低时，芯片自动转入节能模式，以减小系统功耗，适宜于DSP 系统的低功耗设计，本文主要介绍了该芯片的特点，并给出了基于此芯片的DSP电源电路。

l DSP电源特点1．1 电源要求TI公司的DSP需要给CPU、FLASH、ADC及I／O 等提供双电源供电，分别为1．8V或2．5V核电源和3．3V的I／O电源，每种电源又分为数字电源和模拟电源，即数字1．8V(2．5V)、模拟1．8V(2．5V)，数字3．3V，模拟3．3V。

相对与模拟电源和数字电源，也要求有模拟地和数字地。

数字电源与模拟电源单独供电，数字地与模拟地分开，单点连接。

DSP大多采用数字电源供电，可以通过数字电源来获得模拟电源，主要有两种方式：(1)数字电源与模拟电源、数字地与模拟地之间加电感或铁氧体磁珠构成无源滤波网络。

铁氧体磁珠在低频时阻抗很低，在高频时很高，可以抑制高频干扰，从而消除数字电路的噪声。

(2)采用多路稳压器。

方法(1)结构简单，能满足一般的应用要求，方法(2)有更好的去耦效果，但电路复杂成本高。

1．2 供电次序TI公司DSP采用双电源供电，因此，需要考虑上电、掉电顺序。

DSP电源系统的低功耗设计随着科技的不断进步，数字信号处理(DSP)在许多领域得到了广泛应用，如通信、音频、视频等。

DSP芯片是整个系统的核心，其性能直接影响系统的质量和功耗。

因此，设计一种低功耗的DSP电源系统至关重要。

在设计低功耗的DSP电源系统时，可以从电源的选择、电源管理技术以及电路设计等方面入手。

1.电源的选择a.高效率电源：选择高效率的DC-DC转换器作为DSP的电源供应，提高整个系统的功耗效率。

b.深睡眠和快速唤醒模式：选择支持低功耗模式的电源，如深睡眠模式和快速唤醒模式。

在DSP不工作时，将电源转到低功耗模式，从而降低功耗。

c.动态电压调整(DVC)：根据DSP工作负载的变化，动态调整电压供应，以降低功耗。

2.电源管理技术a.关闭未使用的模块:将DSP中未使用的模块关闭，以减少功耗。

例如，关闭未使用的内存和接口模块。

b.时钟管理:根据DSP的实际需求，选择合适的时钟频率和功耗模式。

降低时钟频率和功耗模式可以有效地降低功耗，但同时也会降低DSP的性能。

c.特定功耗优化算法:应用特定的优化算法，如动态电压频率缩放(DVFS)等，根据工作负载动态调整DSP的电压和频率。

这样可以在保证系统性能的前提下降低功耗。

d.睡眠模式管理:在DSP不工作时，将其切换到睡眠模式，降低功耗。

睡眠模式下，关闭不必要的模块，减少功耗。

3.电路设计a.降低电路的静态功耗:通过合理的电路设计，降低电路的静态功耗，如减少待机模式下电源的漏电流。

b.降低电路的动态功耗:减少电路的开关频率，降低动态功耗。

例如，使用较低的时钟频率和功耗模式，以及合理控制总线和存储器的访问次数。

c.优化供电网络:在电路设计中，合理配置供电网络，减少电源纹波和噪声对DSP的影响，提高系统的稳定性和效率。

4.软件优化a.降低算法复杂度:在软件开发过程中，选择合适的算法和数据结构，降低DSP的计算复杂度，从而降低功耗。

b.降低数据处理量:优化数据处理的过程，减少不必要的计算和数据移动操作，降低功耗。

低功耗数字信号处理器优化设计随着科技的发展，数字信号处理器(DSP)的应用越来越广泛。

而在众多DSP芯片中，低功耗数字信号处理器逐渐受到人们的重视。

低功耗数字信号处理器一方面能够最大限度地减少电池能量消耗，另一方面也能够提高处理速度，使得设备更加高效、耐用，迎合了现代消费电子产品的要求。

本文将从几个方面介绍低功耗数字信号处理器的优化设计。

一、功耗优化技术首先，对于低功耗数字信号处理器的设计，功耗优化技术是必不可少的。

其中包括以下几个方面：1.变压器设计技术变压器降压技术正是利用磁耦合效应把高压转换为低压的一种变压器，在实际的低功耗数字信号处理器中，变压器伏特数普遍不超过1V左右，这样可以降低功耗，使得处理速度更快。

2.电压管理低功耗环节通常被设计成动态电压范围，以满足各种负载要求。

此外，数字控制电路和模拟式电路一般采用低功耗的互补金属氧化物半导体技术(CMOS)。

3.低功耗算法低功耗数字信号处理器中存在着一些优秀的低功耗算法，比如大量采用FIR、FFT等特定算法，可以减少运算次数，从而减少功耗。

二、优化网络连接除了功耗优化技术，优化网络连接也是低功耗数字信号处理器优化设计中需要考虑的重要因素。

在数据传输的过程中，网络连接屏幕和地面板连接，以及电布线均存在着一些问题。

以下是网络连接方面的优化技术：1.薄层铝线技术薄层铝线技术是众多电路连接技术中的一种，它是利用铝线在厚膜印刷电路板上形成的一种高精度的电路连接。

这种技术可以在减小功耗的同时，加快数据传输速度。

在低功耗数字信号处理器的设计中，采用薄层铝线技术不仅可以使得数据传输更加快速，同时使得功耗更加低。

2.优化连接方式另外一种常见的链接方式是采用平面化连接技术，在这种连接方式下，利用地板和屏蔽线等元件进行连接，从而形成更为紧密的连接。

三、独立选择优化方案在低功耗数字信号处理器的优化设计中，需要根据实际情况选择适合的优化方案。

例如，在一些已有的低功耗数字处理器的解决方案中，可以采用一些快速算法，从而实现功耗的降低和速度的提高。

如何优化嵌入式DSP应用的功耗采用软硬件技术可以提高电源效率，而使用内置电源管理API的DSPRTOS更容易实现上述目的。

作者：ScottGary，德州仪器(TI)无线及有线系统设计师均必须重视电源效率问题，尽管双方的出发点不尽相同。

对于移动设备而言，更长的电池使用寿命、更长的通话时间或更长的工作时间都是明显的优势。

降低电源要求意味着使用体积更小的电池或选择不同的电池技术，这在一定程度上也缓解了电池发热问题。

对于有线系统而言，设计师可通过减小电源体采用软硬件技术可以提高电源效率，而使用内置电源管理 API 的 DSP RTOS 更容易实现上述目的。

作者：Scott Gary，德州仪器 (TI)无线及有线系统设计师均必须重视电源效率问题，尽管双方的出发点不尽相同。

对于移动设备而言，更长的电池使用寿命、更长的通话时间或更长的工作时间都是明显的优势。

降低电源要求意味着使用体积更小的电池或选择不同的电池技术，这在一定程度上也缓解了电池发热问题。

对于有线系统而言，设计师可通过减小电源体积、减少冷却需求以及降低风扇噪声来提高电池效率。

人们很少会提到这样一个事实：提高电源效率还可节省空间，用以增加能够提高系统性能的组件，尤其是设计小组希望添加一个以上处理器时，这一点非常重要。

设计嵌入式 DSP 处理器或系统功耗要求严格的系统时，采用 DSP 专用技术、操作系统及其支持软件可以降低功耗。

超越传统技术的 DSP 或双处理器设计在节约能量方面表现出色。

本文将讨论传统及专门针对 DSP 的功耗优化技术，首先对使用到的术语和原理进行定义与说明。

功耗基础知识互补金属氧化物半导体 (CMOS) 电路的总功耗是动态功耗与静态功耗之和 [参考资料 3]：当门发生逻辑状态转换并产生内部结点充电所需的开关电流以及P 通道及N 通道同时暂态开启引起直通电流时，就会出现动态功耗。

通过以下公式可以估算其近似值：其中，Cpd 为动态电容，F 为开关频率，Vcc为电源电压，而 Nsw 为转换的比特数。

电路设计流程如何降低功耗与能耗电路设计在现代科技应用中起着举足轻重的作用，为了提高电路性能和延长电池寿命，降低功耗和能耗是一个非常重要的课题。

本文将介绍几种降低功耗和能耗的常用电路设计流程。

一、优化电路结构电路结构的优化是降低功耗和能耗的基础。

通过分析电路需求和性能指标，合理设计电路结构，可以达到最优的功耗与能耗比。

一些常见的优化方法包括：1.1 降低电压：在不影响电路功能和性能的前提下，尽可能降低电压水平。

电路工作时，功耗与电压的平方成正比，因此适当降低电压可以有效降低功耗和能耗。

但要注意，降低电压可能会引起电路稳定性等问题，需要综合考虑。

1.2 升级器件：选择低功耗和高效能的器件是降低功耗和能耗的重要手段。

比如，使用低功耗的微处理器、低压差线性稳压器等器件，可以显著降低功耗。

此外，优化电路中的晶体管结构和材料选择等也能改善器件性能。

1.3 电源管理：合理的电源管理非常重要。

采用动态电压调整等技术，根据系统需求动态调整供电电压，可以在保证性能的同时节省能耗。

二、功耗优化技术除了优化电路结构，还可以采用一些特殊的技术来降低功耗。

以下是一些常见的功耗优化技术：2.1 动态电压频率调整(DVFS)：动态电压频率调整是基于电路的工作负载情况动态调整供电电压和频率，从而降低功耗。

在低负载情况下，降低电压和频率，以减少供电能耗；在高负载情况下，提高电压和频率，以保证电路性能。

2.2 时钟门控：通过时钟门控技术，可以只在需要的时候打开电路，减少非必要的功耗。

比如，在处理器的空闲状态下关闭一些不必要的时钟信号和功能模块。

2.3 电源管理：通过采用开关电源等高效能的电源管理方案，可以提高能量转换的效率，减少功耗损耗。

三、能耗优化技术除了功耗优化技术，还有一些专门用于降低能耗的技术。

以下是一些能耗优化技术：3.1 休眠模式：在电路不工作或者处于空闲状态时，将电路切换到休眠模式，以提高能耗效率。

在休眠模式下，关闭不必要的电源和电路，减少能耗。

240xA系列DSP有一个低功耗指令IDLE，当被执行时，该指令将停止CPU 中所有电路的时钟；尽管如此，从CPU中出来的时钟将继续输出。

通过使用该指令，CPU的时钟将被关闭以节约能量。

当遇到复位或者中断请求时CPU将推出IDLE模式。

1.1时钟类型所有以240xA为内核的设备均包含下面两种时钟类型：n组成大部分CPU逻辑电路时钟的CPU时钟。

n组成外设时钟以及CPU中的中断逻辑电路的系统时钟（由CPU 中出来的CLKOUT得来）。

当CPU进入IDLE模式时，系统时钟继续产生，CPU时钟停止产生。

这种模式叫作IDLE1 模式。

当CPU进入IDLE2 模式时，CPU时钟，系统时钟都将停止产生，这样允许进一步的节省能量。

第三种节能模式，HALT模式，有可能将看门狗时钟以及振荡器时钟关闭。

在HALT模式中，输入到锁相环的时钟被关闭。

低功耗模式不会改变通用I/O口的状态。

在进入低功耗模式之前，I/O口将保持住同样的状态。

并且，进入低功耗模式后，通用I/O口不会进入到高阻抗状态以及内部电压上拉或下拉不会改变。

当执行IDLE指令时，系统配置寄存器SCSR1 的12，13位LPM位将决定DSP进入三种节能模式中的哪种模式。

以下图标为三种模式下各时钟的关闭情况以及退出该情况所需要的条件。

(见相册)1.2退出低功耗模式多种情况可以退出低功耗模式。

以下部分描述了怎样退出低功耗模式。

1.2.1复位复位（任何情况下的复位）可以使DSP退出任何一种低功耗模式。

如果DSP处于HALT模式即暂停状态下，复位将启动振荡器；尽管如此，由于启动振荡器至产生时钟需要一定时间，CPU的复位将被延迟一段时间。

1.2.2外部中断外部中断，XINTx，可以使DSP退出出HALT的任何一种中断。

如果DSP处于IDLE2节能模式，连接到外部中断引脚的同步逻辑可以识别出在引脚上的中断，然后开始系统时钟和CPU时钟，然后允许时钟逻辑向PIE控制器产生中断请求。