超低功耗系统设计

M S P430F R单片机的超低功耗设计方法和原则李志腾,郑耿,孙鹏,张良,秦旸,刘伟(东方电子股份有限公司,烟台264001)摘要:以M S P30F R6972芯片为例,详细介绍了M S P430F R系列单片机在硬件㊁软件上的超低功耗设计方法和原则,并提出了在软件开发过程中采用U L P A d v i s o r和E n e r g y T r a c e工具分析优化功耗的方法㊂通过综合的设计㊁优化能使单片机达到最佳的低功耗状态,更好地适应超低功耗应用领域的要求㊂关键词:M S P430F R;U L P A d v i s o r;E n e r g y T r a c e中图分类号:T P368.1文献标识码:AD e s i g n M e t h o d a n d P r i n c i p l e o f U l t r a-l o w P o w e r C o n s u m p t i o n o n M S P430F RL i Z h i t e n g,Z h e n g G e n g,S u n P e n g,Z h a n g L i a n g,Q i n Y a n g,L i u W e i(D o n g f a n g E l e c t r o n i c s C o.,L t d.,Y a n t a i264001,C h i n a)A b s t r a c t:I n t h i s p a p e r,M S P430F R6972M C U i s t a k e n a s a n e x a m p l e t o i n t r o d u c e t h e d e t a i l u l t r a-l o w p o w e r d e s i g n m e t h o d s a n d p r i n c i-p l e s o f M S P430F R M i c r o c o n t r o l l e r s i n h a r d w a r e a n d s o f t w a r e f i e l d s.I n t h e s o f t w a r e d e v e l o p m e n t,a m e t h o d i s p r e s e n t e d f o r a n a l y z i n g a n d o p t i m i z i n g M S P430F R s p o w e r c o n s u m p t i o n b y u s i n g U L P A d v i s o r a n d E n e r g y T r a c e t o o l s.W i t h t h e c o m p r e h e n s i v e d e s i g n a n d o p-t i m i z i n g,t h e M C U c a n a c h i e v e t h e b e s t l o w p o w e r s t a t e i n t h e u l t r a-l o w p o w e r a p p l i c a t i o n s.K e y w o r d s:M S P430F R;U L P A d v i s o r;E n e r g y T r a c e引言M S P430F R是美国德州仪器(T I)公司推出的新一代超低功耗系列单片机,由于其具有超低功耗的性能和可以高速㊁耐久读写数据的内置F R AM,非常适合应用于电力仪表等低功耗仪器仪表领域㊂在对功耗要求很苛刻的领域,如何合理开发使用M S P430F R系列单片机成为实现超低功耗的关键㊂本文以M S P430F R6972单片机为例,详细介绍了M S P430F R系列单片机的超低功耗开发㊁设计原则㊂1M S P430F R系列单片机概述M S P430F R系列单片机是16位单片机,采用了精简指令集(R I S C)结构,具有灵活可控的时钟和丰富的片内外设,每个片内外设都可以单独控制,从而实现多种不同功能的低功耗模式[1]㊂以M S P430F R6972单片机为例,其具有7种低功耗模式(如表1所列),其中,L P M3模式是在L P M2模式基础上关闭了芯片内部的锁频环; L P M3.5模式及L P M4.5模式是在L P M3与L P M4模式基础上进一步关闭了芯片内部R AM的供电㊂L P M3.5和L P M4.5模式下,一些寄存器将会失效,未保存的数据及动态变量会丢失,因此在进入这两种模式时一定要将有用的数据或变量保存到铁电中,等到C P U从该模式恢复后,再将保存的数据读出,重新赋给相应的变量㊂单片机会根据不同的运行模式关闭或打开C P U㊁时钟及相应的外设,从而保证在最低功耗下实现相应的功能㊂表1M S P430F R6972运行模式及功耗(T=25ħ,f=1MH z,V c c=3.0V)运行模式C P U及时钟状态典型功耗/μA L P M0C P U o f f A C L K a c t i v e S M C L K o p t i o n a l a c t i v e80 L P M1C P U o f f A C L K a c t i v e S M C L K o p t i o n a l a c t i v e40 L P M2C P U o f f A C L K a c t i v e S M C L K o f f1.20 L P M3C P U o f f A C L K a c t i v e S M C L K o f f0.90 L P M4C P U o f f A C L K o f f S M C L K o f f0.55 L P M3.5C P U o f f A C L K a c t i v e S M C L K o f f0.35 L P M4.5C P U o f f A C L K o f f S M C L K o f f0.04 M S P430F R系列单片机与其他M S P430系列单片机的最大不同是采用内置F R AM取代F l a s h来存储程序与数据,数据写入速度是F l a s h的100多倍㊂由于F R AM无需预擦除段并且可以实现位级数据存取,简化了代码开发,从而能够在功耗不变的情况下实现实时数据记录㊂此外,相较于F l a s h ,M S 430F R 芯片中的F R AM 可提供超过100亿次的写入周期耐久性㊂2 M S P 430F R 系列单片机超低功耗设计原则单片机的超低功耗设计包括硬件㊁软件两个方面㊂在进行超低功耗设计时要综合考虑硬件和软件的设计,使其达到最优的低功耗状态㊂2.1 硬件设计原则2.1.1 供电电压及时钟频率设置M C U 是由若干C MO S 门电路组成,C MO S 的功耗计算公式如下:P =P s t a r t +P Q +P d y n (1)P d yn =C L ˑf ˑV 2c c (2)其中,P s t a r t 是由扩散区和衬底之间的反向偏置漏电流产生的静态功耗,P Q 是动态情况下P 管和N 管同时导通时的短路电流产生的动态功耗,P d y n 是开关电流产生的动态功耗㊂这三项中P d y n 大约占电路功耗的80%,是C MO S 电路的主要功耗[3]㊂在式(2)中C L 为CMO S 的负载电容,f 为系统时钟频率,V c c 为芯片的电源电压㊂由此可知,电源电压V c c 对系统C MO S 电路功耗影响最大,其次是时钟频率f 和负载电容C L ㊂因此,为了能够实现超低功耗,在满足应用要求的前提下,要尽可能降低芯片的供电电压㊂一般而言,时钟频率越大,功耗越大㊂但另一方面,时图1 I /O 电平不固定情况下的电流消耗钟频率与工作时间成反比,时钟频率越高,完成一段代码的执行时间越短,C P U 处于空闲或睡眠状态的时间就越长㊂因此,并不一定是频率越高功耗就越大㊂在有些应用中,提高主频反而可以使平均功耗降低,频率的确定需要根据实际应用中的项目需求而定㊂例如,以不同频率执行相同代码,其功耗大小如表2所列,从表中可以看出对于如下代码,频率在8MH z 时C P U 消耗的平均功耗最小㊂v o i d m a i n (v o i d){ I n i t S o f t WD o g (0,0,0); I n i t G p i o (); I n i t S Y S C l o c k (); w h i l e (1){ P i n 1_0(1);//P 1.0引脚置高 C o d e A (); C o d e B (); C o d e C (); P i n 1_0(0);//P 1.0引脚置低 }}表2 不同频率下执行相同代码的功耗主频/MH z 供电电流/m A C P U 执行相同代码耗时/μs C P U 执行相同代码的功耗(m A ㊃μs )说 明10.16725.054.18342.670.3309.353.08553.50.4107.172.939740.4606.262.87965.330.6104.672.848770.7703.592.764380.8603.132.691810.50.9902.972.9403121.1202.592.9008161.4001.932.7020采用万用表串入供电电路测量供电电流;用示波器捕捉P 1.0引脚的高低电平变化,获取执行时间㊂在测试过程中C P U一直处于a c t i v e m o d e,A C L K 的频率为32.768k H z ,S M C L K 被关闭2.1.2 I /O 口设置默认情况下,M S P 430F R 系列单片机的I /O 口为输入状态,且内部的上㊁下拉电阻未使能㊂因此,I /O 口的电平不确定,从而容易产生寄生电流[2],如图1所示㊂在默认状况下,P 1.0口的电压处于不稳定状态,当P 1.0口的电压为1.7V 左右时,寄生电流能够超过40μA ㊂但P 1.0端口电压为3.0V 或者0V 时,电流几乎为0㊂为此,在进行产品设计时,硬件上可以通过将未用的I /O 接到V c c 或者G N D 上,使其端口电平固定,从而避免产生寄生电流㊂若硬件上未进行相应处理,软件上可以通过将未用的I /O 口设置为输出高电平或低电平,使其端口电平固定;或者将未用I /O 口设置为输入状态,并通过软件设置内部上拉电阻或下拉电阻,使端口的电平保持固定,避免产生寄生电流㊂2.1.3 外部设备M S P 430F R 系列单片机内部包含了丰富的低功耗外设,如D MA ㊁A D C 等器件,合理利用这些低功耗外设能够更好地降低系统的功耗㊂例如在相同情况下搬移1312个字节,M S P 430F R 6972的D MA 模块与m e m c p y()函数所消耗的时间及功耗对比如表3所列㊂D MA 可以在更短的时间内,用更低的功耗实现数据的搬移,且D MA 进行数据搬移时并不会占用C P U ,C P U 可以继续执行其他指令㊂表3 D M A 模块与m e m c p y()函数功能对比功能电流/m A 时间功耗(m A ㊃m s)m e m c p y ()1.2761.65m s2.105D MA2.057272.50μs0.5612.2 软件设计原则典型的低功耗C P U 的工作模式如图2所示,C P U 大部分时间处于空闲或休眠状态,仅有部分外设在工作,此时电流消耗很小㊂只有定时事件完成或有其他事件触发时,C P U 才会进入运行状态执行相应的工作,工作完成后C P U 再次进入空闲或休眠状态,继续等待定时或其他事件的触发,这样系统整体的平均功耗就会很低[4]㊂例如采用M S P 430F R 6972芯片实现串口数据接收功能,可以选择A C L K 作为片内串口模块的时钟源,这样芯片可以长时间处于L P M 3模式下接收串口数据,当要处理接收数据时再进入A c t i v e 模式进行数据处理,从而使单片机功耗保持最佳㊂图2 典型的低功耗C P U 的工作模式此外,在软件编程上尽可能地提升代码的执行效率,缩短C P U 的活跃时间,也可以更好地降低功耗㊂例如尽量使用无符号数,尽可能采用快速查表法来代替复杂的计算等㊂2.2.1 U L P A d v i s o r 代码分析T I 公司提供了U L P (U l t r a -L o w P o w e r )A d v i s o r 分析工具,用于指导开发人员编写有效的代码,以充分利用M S P 430微控制器的独特超低功耗特性[5]㊂U L P A d v i s o r功能可以在I A R 或C C S 编译器中通过设置启用㊂U L P 包含了15条编程规则,在编译时,U L P A d v i s o r 会提供通知和备注,以突出显示代码中可以进一步优化的区域,如图3所示,U L P A d v i s o r 提示f o r 循环的代码可以优化㊂点击图3中m e s s a g e s 对话框中的T I U L P A d v i s o r 报警信息,就会弹出如图4所示的详细说明,并包括优化代码的例子㊂从详细说明中可知,M S P 430单片机内进行非零值比较时需要执行两条汇编指令,而与零比较只需执行一条汇编指令,所以可以将f o r (i i =0;i i <20;i i ++)改为f o r (i i =20;i i >0;i i --),提高代码的执行效率,从而节省功耗㊂图3 U L P A d v i s o r 告警信息图4 U L P A d v i s o r 详细说明2.2.2 E n e r g y Tr a c e 功耗分析在进行单片机超低功耗设计时,辅助的测量方法有很多种㊂可将高精度电流表串入供电回路测量功耗,或者在供电回路中串联一个精密电阻(误差为1%,甚至更低),用示波器实时测量电阻两端的电压等方法㊂为了能够更好地在程序设计过程中了解功耗,可以采用T I 公司的E n e r g y T r a c e 工具㊂E n e r g y Tr a c e 工具主要用于D e b u g 模式,其可以实时记录M S P 430单片机的实时功耗㊁内部外设和芯片运行的状态(见图5)㊁程序里功能函数执行的次数及每个功能函数的功耗,生成l o g 信息并以图表的形式实时展示出来[5]㊂E n e r g y Tr a c e 工具可以对比利用U L P A d v i s o r 工具调整后和调整前的代码的实时功耗情况,如图6所示㊂通过将U L P A d v i s o r 和E n e r g y Tr a c e 结合使用,可以帮助软件人员在程序设计调试中更好地优化代码,从而保证功耗做到最低㊂图5芯片内部外设及运行模式实时追踪图6 E n e r g y Tr a c e 功耗跟踪及对比分析结 语M S P 430F R 系列单片机适用于很多超低功耗实时数据测量场合㊂通过恰当的低功耗硬件设计㊁合理的软件策略及综合的优化方法,可以使M S P 430F R 系列单片机在超低功耗的应用领域中表现得更为优秀㊂参考文献[1]胡大可.M S P 430系列超低功耗16位单片机原理与应用[M ].北京:北京航空航天大学出版社,2000.[2]T e x a s I n s t r u m e n t s .M S P 430F R 58x x ,M S P 430F R 59x x ,M S P 430F R68x x ,a n d M S P 430F R 69x x F a m i l y Us e r s G u i d e [E B /O L ].[201805].h t t p ://w w w .t i .c o m /c n /l i t /pd f /s l a u 367.[3]王昌林,张勇,李东生.C MO S 集成电路功耗分析及其优化方法[J ].舰船电子工程,2006,26(3):123125.[4]杨天池,金梁,王天鹏.嵌入式系统的低功耗设计[J ].仪器仪表学报,2006,27(z 1):946948.[5]T e x a s I n s t r u m e n t s .M S P 430A d v a n c e d P o w e r O pt i m i z a t i o n s _U L P A d v i s o r S o f t w a r e a n d E n e r g y T r a c e T e c h n o l o g y [E B /O L ].[201805].h t t p://w w w.t i .c o m.c n /c n /l i t /a n /s l a a 603/s l a a 603.李志腾(嵌入式软件工程师),主要负责智能配电产品线㊂(责任编辑:薛士然 收稿日期:2018-05-03)。

低功耗设计技术研究在当今物联网时代，越来越多的设备需要长时间运行且不能频繁充电，因此低功耗设计技术变得越来越重要。

本文将探讨低功耗设计技术的研究现状和未来发展趋势。

1. 低功耗设计技术的概念和分类低功耗设计技术主要是指在设备运行时降低功耗，以延长电池寿命或减小能耗。

低功耗设计技术可分为系统级低功耗和电路级低功耗两类。

系统级低功耗主要针对整个系统的设计和运行进行优化，通过降低CPU频率、增加睡眠模式等措施减少功耗。

电路级低功耗主要是通过优化电路设计、改进电路器件材料等方法实现功耗降低。

2. 低功耗设计技术的研究现状目前，低功耗设计技术已经得到了广泛应用。

在芯片设计方面，一些公司已经推出了采用新型工艺的低功耗芯片，其功耗降至几毫瓦以下。

同时，也有不少开源项目涉及低功耗设计，例如开源无线通信协议LoRa、Zigbee等，这些协议致力于提高传输效率，实现低能耗。

在电子设备方面，低功耗的设备也得到了广泛应用。

例如，智能手表、可穿戴设备、智能家居等，这些设备采用低功耗设计技术，能够长时间运行，大大降低了用户充电频率，提高了用户体验。

3. 低功耗设计技术的未来发展趋势未来，低功耗设计技术的发展将呈现以下趋势：（1）采用新型工艺：采用新型工艺可以实现芯片功耗降低，例如三维集成电路、多层封装技术等。

（2）引入人工智能：通过人工智能技术，可以实现设备的自动管理，及时发现设备功耗异常并进行优化，实现最佳能耗状态。

（3）应用新型材料：采用新型材料可以大幅降低功耗，例如使用铌酸锂晶体可实现电容功耗降低。

（4）加强数据安全：随着物联网设备数量的增加，数据安全问题越来越严重。

采用低功耗技术还需注重设备安全性设计，避免被黑客攻击泄露用户数据。

4. 结论综上所述，低功耗设计技术现已广泛应用于各个领域，并不断发展壮大。

未来将进一步引入新科技、新材料，提高设备的安全性和数据处理能力。

在物联网时代，低功耗设计技术将扮演越来越重要的角色。

硬件设计之低功耗设计现象一：我们这系统是220V供电，就不用在乎功耗问题了点评：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）现象二：这些总线信号都用电阻拉一下，感觉放心些点评：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）。

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）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。

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。

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。

超低功耗电子电路系统设计原则虽然超低功耗设计仍然是在CMOS集成电路(IC)基础上发展起来的，但是因为用户众多，数千种专用或通用超低功耗IC不断涌现，使设计人员不再在传统的CMOS 型IC上下功夫，转而选择新型超低功耗IC，致使近年来产生了多种超低功耗仪表。

电池供电的水表、暖气表和煤气表近几年能够发展起来就是一个证明。

目前，电池供电的单片机则是超低功耗IC的代表。

本文将对超低功耗电路设计原则进行分析，并就怎样设计成超低功耗的产品作一些论述，从而证明了这种电路在电路结构和性价比等方面对传统电路极具竞争力。

1 CMOS集成电路的功耗分析无论是低功耗还是超低功耗IC，主要还是建立在CMOS电路基础上的。

虽然超低功耗IC对单元电路进行了新形式的设计，但作为功耗分析，仍然离不开 CMOS 电路基本原理。

以74系列为代表的TTL集成电路，每门的平均功耗约为10mW；低功耗的TTL集成电路，每门平均功耗只有1mW。

74系列高速 CMOS电路，每门平均功耗约为10μW；而超低功耗CMOS通用小规模IC，整片的静态平均功耗却可低于10μW。

传统的单片机，休眠电流常在 50μA~2mA范围内；而超低功耗的单片机休眠电流可达到1μA以下。

CMOS电路的动态功耗不仅取决于负载，而且就电路内部而言，功耗与电源电压、集成度、输出电平以及工作频率都有密切联系。

因此设计超低功耗电路时不得不对全部元件的内外性质做仔细分析。

CHMOS或CMOS电路的功耗特性一般可以表示为：P=PD+PA式中， P--总功耗PD--静态功耗，PD=VDD·IDD (1)PA--动态功耗，PA=PTC+PC＝VDD·ITC+f·CL·vdd2(2)PTC --瞬时导通功耗PC--输出电容充放电功耗VDD--工作电源电压IDD--静态时由电源流向电路内部的电流ITC--脉冲电流的时间平均值f--输入脉冲重复频率CL--电路输出端的负载电容式(1)为静态功耗表达式。

超低功耗电路的设计原则及设计分析以手机为代表的电池供电电路的兴起,为便携式仪表开创了一个新的纪元。

超低功耗电路系统(包括超低功耗的电源、单片机、放大器、液晶显示屏等)已经对电路设计人员形成了极大的诱惑。

毫无疑问,超低功耗电路设计已经对低功耗电路提出了挑战,并将扩展成为电子电路中的一个重要应用领域。

虽然超低功耗设计仍然是在CMOS集成电路(IC)基础上发展起来的,但是因为用户众多,数千种专用或通用超低功耗IC不断涌现,使设计人员不再在传统的CMOS型IC上下功夫,转而选择新型超低功耗IC,致使近年来产生了多种超低功耗仪表。

电池供电的水表、暖气表和煤气表近几年能够发展起来就是一个证明。

目前,电池供电的单片机则是超低功耗IC的代表。

本文将对超低功耗电路设计原则进行分析,并就怎样设计成超低功耗的产品作一些论述,从而证明了这种电路在电路结构和性价比等方面对传统电路极具竞争力。

1 CMOS集成电路的功耗分析无论是低功耗还是超低功耗IC,主要还是建立在CMOS电路基础上的。

虽然超低功耗IC 对单元电路进行了新形式的设计,但作为功耗分析,仍然离不开CMOS电路基本原理。

以74系列为代表的TTL集成电路,每门的平均功耗约为10mW;低功耗的TTL集成电路,每门平均功耗只有1mW。

74系列高速CMOS电路,每门平均功耗约为10μW;而超低功耗CMOS 通用小规模IC,整片的静态平均功耗却可低于10μW。

传统的单片机,休眠电流常在50μA～2mA范围内;而超低功耗的单片机休眠电流可达到1μA以下。

CMOS电路的动态功耗不仅取决于负载,而且就电路内部而言,功耗与电源电压、集成度、输出电平以及工作频率都有密切联系。

因此设计超低功耗电路时不得不对全部元件的内外性质做仔细分析。

CHMOS或CMOS电路的功耗特性一般可以表示为:P=PD+PA。

单片机的电源管理及低功耗设计技巧在单片机的设计中，电源管理是非常重要的一环，尤其在如今对于低功耗、高效能的要求下，更是需要充分考虑电源管理的问题。

本文将介绍单片机电源管理的相关知识以及一些低功耗设计技巧，帮助大家更好地设计单片机系统。

首先，我们需要了解单片机系统中的各种电源模式。

在单片机运行过程中，有时需要正常工作模式，有时需要休眠模式或者其他低功耗模式。

为了实现这些模式之间的切换，需要合理设计电源管理电路。

一般来说，单片机系统的电源管理包括如下几个方面：1. 电源模块设计：电源模块的选取和设计对于整个系统的功耗和稳定性至关重要。

常见的电源模块包括稳压芯片、开关电源等，需要根据具体的应用场景选择适合的电源模块。

2. 电池管理：如果单片机系统需要使用电池供电，那么电池管理的设计就显得尤为重要。

需要考虑电池的类型、电量检测、充放电保护等问题，以确保电池的安全可靠性。

3. 时钟管理：时钟管理也是电源管理的一个重要方面。

单片机系统中的时钟模块需要根据具体的要求选择适合的时钟源，以实现低功耗和高精度的要求。

4. 供电检测：供电检测可以用来判断系统当前的工作状态，以便根据不同的情况选择合适的电源模式，从而实现节能的目的。

在电源管理的基础上，我们可以进一步讨论一些低功耗设计技巧。

在单片机系统中，功耗的优化是设计过程中需要着重考虑的问题。

以下是一些常见的低功耗设计技巧：1. 选择合适的工作模式：单片机系统通常具有多种工作模式，如正常工作模式、睡眠模式、停止模式等。

针对具体的应用需求，选择合适的工作模式以最大程度地降低功耗。

2. 外设管理：在单片机系统中，外设的功耗也是需要考虑的问题。

在不需要使用外设时及时关闭外设的电源以降低功耗。

3. 时钟频率调节：单片机系统中的时钟频率是影响功耗的重要因素之一。

根据实际需求调节时钟频率，可以降低功耗同时又满足性能需求。

4. 有效利用休眠模式：在单片机系统中，休眠模式通常具有极低的功耗，可以通过合理利用休眠模式来降低整个系统的功耗。

集成电路低功耗设计技术集成电路（Integrated Circuit，简称IC）是现代电子技术中的重要组成部分，在各种电子设备中广泛应用。

随着科技的进步和市场的需求不断增长，电子设备的功耗问题也日益受到关注。

在集成电路设计中，低功耗设计技术的应用显得尤为重要。

本文将讨论集成电路低功耗设计技术的原理和方法。

低功耗设计技术的背景随着移动设备和物联网技术的快速发展，对于功耗的要求越来越高。

低功耗设计技术的应用能够延长电池寿命，减少设备发热以及提高电池充电效率。

因此，低功耗设计技术已经成为集成电路设计的关键考虑因素。

低功耗设计技术的原理低功耗设计技术的原理是通过降低集成电路的功耗来实现节能的目标。

主要采用以下几种方法来实现：1. 逻辑门的优化设计：逻辑门通常是芯片中最耗电的部分。

优化逻辑门的设计可以减少功耗。

例如，采用低阈值电压晶体管和有选择地禁用部分逻辑门等方法，能有效降低功耗。

2. 时钟管理技术：芯片上的时钟频率和功耗是成反比的。

通过合理的时钟设计，可以降低芯片功耗。

例如，使用自适应时钟技术，根据芯片的工作负载动态调整时钟频率，在降低功耗的同时保持系统的性能。

3. 状态优化技术：大部分电子设备在使用过程中都存在空闲状态。

通过设计合理的状态优化技术，可以将处于空闲状态的部分电路降低功耗。

例如，采用局部时钟门控技术，只在需要时打开关键电路，延长电池寿命。

4. 电源管理技术：对于移动设备来说，电池寿命是一个重要的指标。

通过采用先进的电源管理技术，例如多电源域设计、电源适应性调整等方法，可以最大限度地降低功耗。

5. 快速快速启动和休眠技术：集成电路在启动和休眠过程中消耗较高的功耗。

采用快速启动和休眠技术可以缩短启动和休眠时间，减少功耗。

低功耗设计技术的应用低功耗设计技术在各种领域都有广泛的应用。

其中，移动设备、物联网设备和便携式电子设备是低功耗设计技术的主要应用领域。

在移动设备中，如智能手机、平板电脑等，低功耗设计技术能延长电池使用时间，用户无需频繁充电，提供更好的使用体验。

图 1 传统电荷泵系统流比重就很大，直接决定 Flash 的在常温下面的待机功耗。

图 2 为改进电荷泵系统为了降低 Flash 在常温下面的待机功耗，荡器为了保证一定的频率及稳定性，其工作电流降到一定程度就会有瓶颈，难于继续降低。

以前的做法是电荷泵产生的高压超过目标值之后，通过比较器的反馈信号关闭进入电荷泵的通道，但是频率振荡器还是保持工作。

这样频率振荡器还是一致消耗直流电流。

中间节点处于浮空状态，受外界噪声干扰或漏电流影响较大[2-6]。

因此整合以后的低功耗电压采样电路利用电容分压电路来维持采样电压，利用 MOS 管分压电路周期性工作来刷新内部节点电压。

这样既能减小功耗即减小了电荷泵的负载电流；同时消除外界噪声干扰或漏电流的影响，以保证长期工作状态中电压稳定。

3 低功耗采样电路工作过程当 Flash 处于掉电模式时，PD 为高电平，为低电平，此时高压 PMOS 管 P0 不导通，高图 2 改进电荷泵系统图 3 低功耗电压采样电路图 4 控制电路时序8 集成电路应用 第36卷第5期（总第308期）2019年5集成电路应用 第 36 卷 第 5 期（总第 308 期）2019 年 5 月 9在待机模式中200μs，而 Ts 时间很短（100 由此可得 C2＝2×C1。

图 5 所示为低功耗比较器电路，它由差分放大[1] STRENZ R. Embedded Flash technologies and their applications: Status &outlook[J].Electron Devices Meeting.iedm.technical Digest.international,2012(9):41-44.[2] 龚晨.应用于嵌入式闪存的电荷泵系统的研究[D].陕西：西安电子科技大学,2013.[3] Hastings.模拟电路版图的艺术[M].北京：电子工业出版社,2007.[4] Behzad Razavi.模拟CMOS集成电路设计[M].陕西：西安交通大学出版社, 2003.[5] 宋国建.电荷泵稳压电路[J].电工电气,2010(02): 60-62+64.[6] 曹香凝,汪东旭,严利民.DC-DC电荷泵的研究与设计[J].通信电源技术,2004(05):14-16+27.图 5 低功耗比较器电路图 6 仿真结果。

一种超低功耗欠压锁定电路设计与实现摘要：人们对高性能电子产品的需求越来越强烈，产品的安全性与可靠性也对IC设计者带来了巨大的考验，所以在芯片设计时，除了满足性能要求外，保护电路的设计也尤为重要，当芯片发生异常状况时，防止芯片被毁坏，减小芯片损伤，同时也提高了芯片的安全性。

开关电源的可靠性体现在当系统处于异常工作状态时，保护电路对环路的调节能力，保证各个模块的电流与电压工作在设定的阈值范围内，使系统处在正常的工作环境下。

欠压锁定电路UVLO（Under voltagelockout）是开关电源中必不可少的保护电路，其主要作用是保证转换器的电源电压工作在正常的范围内，避免当电源电压过低时导致数字逻辑发生错误以及器件损坏。

当输入电源电压较小时，表明系统当前处于欠压状态，此模块输出一个欠压信号，将芯片切断，使芯片内部保持在确定的安全状态下。

由于噪声对输入电源电压的干扰，电路在阈值电压附近来回切换，产生次谐波振荡，所以欠压保护电路都会设计一个迟滞电压产生器，留出一定的裕量，防止误操作.关键词：超低功耗;欠压锁定;电路设计;引言近年来科学技术的快速发展促进了各类电子产品的多样化发展，而供电电源的稳定性和安全性是保障电子设备正常工作的重要条件。

当系统长时间在低电源电压工作环境中运行时，虽然不会损坏芯片，但是严重影响系统的稳定性，导致电路的逻辑控制不正常和数据处理不正确等问题，影响芯片的安全性和寿命。

系统中欠压保护（Under-voltageLockout，UVLO）电路的使用是实现各模块电路稳定可靠工作的必要条件。

欠压保护电路是充放电系统中一种重要的保护电路，其主要功能是实现系统的供电电压检测。

当供电电压低于设定阈值时，欠压保护电路会输出信号关闭系统充放电回路，防止芯片由于低压工作导致的非正常逻辑输出和异常工作模式发生。

1工作原理分析在传统的欠压锁定电路中，通过电阻分压获得输入电源的采样电压，采样电压与外部电路提供的基准电压进行比较，输入电源电压的高低决定了欠压锁定电路输出信号的翻转，因此传统的欠压锁定电路如图1所示，主要由采样反馈电阻，带隙基准电压，比较器，输出整形电路等组成。

乘用车车身控制系统的低功耗设计乘用车车身控制系统是现代汽车中不可或缺的部分之一，它涉及到车辆的各种运动状态和安全问题，有着极其重要的作用。

而在这个信息化时代，如何在保证功能的前提下，实现低功耗的设计，成为了设计工程师的新挑战。

首先，在电路设计方面，应尽可能选择功耗低的器件，以保证整个系统的功耗处于最优状态。

例如，在传感器的选择方面，应该选用低功耗的 MEMS 加速度计、陀螺仪等传感器，以减少系统的功耗。

在模拟电路的部分，可以通过优化电路设计，来达到功耗降低的目的。

例如，使用差分信号放大器代替单端放大器，可以更好地抑制噪声，进而减少功耗。

其次，在软件编码方面，应该注意优化代码，以减少代码运行时的功耗。

语言特性和代码结构也会对功耗产生一定的影响。

例如，当使用高级语言编写底层驱动程序时，需要考虑它的特性和优化代码，以避免过多的运算和访问内存。

同时，代码结构也十分关键，可以通过合理的流程设计和实时任务调度来优化功耗。

再者，在硬件系统设计上，应该考虑有效使用硬件资源，以达到功耗的最小化。

例如，可以通过敏感度调整对传感器进行调节，以达到更精确的信号采集，从而减少了总体功耗。

此外，在使用 MCUs (Micro Controllers) 时，应该避免使用复杂的模块功能，只使用必要的硬件模块，以减少功耗。

最后，在整个系统的能耗监控和管理方面，可以使用“功耗优化理论”来评估和管理能耗。

通过对整个系统进行功率和能耗的分析，可以清楚地了解系统各个方面的能耗状况，进而进行有效的功耗管理，减少系统能耗。

总之，乘用车车身控制系统的低功耗设计是一个复杂的系统工程，需要在电路设计、软件编码、硬件设计和能耗管理等方面进行综合考虑。

唯有通过合理的、系统化的设计，才能够实现低造价、高性能的乘用车车身控制系统。

在乘用车车身控制系统的低功耗设计中，还需要注意一些其他方面的问题。

首先，应该对系统的运行状态进行合理的调度和控制，尽量减少闲置时间和功耗。