嵌入式系統低功耗設計研究

0 引 言
經過近幾年的快速發展，嵌入式系統(Embedded System)已經成為電子信息產業中最具增長力的一個分支。隨著手機、PDA，GPS、機頂盒等新興產品的大量應用，嵌入式系統的市場正在以每年30％的速度遞增(IDC預測)，嵌入式系統的設計也成為軟硬件工程師越來越關心的話題。
在嵌入式系統設計中，低功耗設計(Low Power Design)是許多設計人員必須面對的問題。其原因在于嵌入式系統被廣泛應用于便攜式和移動性較強的產品中，而這些產品不是一直都有充足的電源供應，往往是靠電池來供電的；而且大多數嵌入式設備都有體積和質量的約束。另外，系統部件產生的熱量和功耗成比例，為解決散熱問題而采取的冷卻措施進一步增加了系統的功耗。為了得到最好的結果，降低系統的功耗具有下面的優點：
(1)電池驅動的需要。在強調綠色環保時期，許多電子產品都采用電池供電。對于電池供電系統，延長電池壽命，降低用戶更換電池的周期，提高系統性能與降低系統開銷，甚至能起到保護環境的作用。
(2)安全的需要。在現場總線領域，本安問題是一個重要話題。例如FF的本安設備，理論上每個網段可以容納32個設備，而實際應用中考慮到目前的功耗水平，每個網段安裝10個比較合適。因此降低系統功耗是實現本安要求的一個重要途徑。
(3)解決電磁干擾。系統功耗越低，電磁輻射能量越小，對其他設備造成的干擾也越小。如果所有的電子產品都能設計成低功耗，那么電磁兼容性設計會變得容易。
(4)節能的需要。特別是對電池供電系統，功耗與電壓的平方成正比即：P=V2/fC+Pstatic，因此節能更為重要。

1 功耗產生的原因
1．1 集成電路的功耗
目前的集成電路工藝主要有TTL和CMOS兩大類，無論哪種工藝。只要電路中有電流通過．就會產生功耗。通常，集成電路的功耗主要有4個：
(1)開關功耗。對電路中的電容充放電而形成，其表達式為：

式中：Vdd為電源電壓；C為被充放電的電容：α為活動因子；f為開關頻率。
(2)靜態功耗和動態功耗。當電路的狀態沒有進行翻轉(保持高電平或低電平)時，電路的功耗屬于靜態功耗，其大小等于電路電壓與流過電流的乘積；動態功耗是電路翻轉時產生的功耗，由于電路翻轉時存在跳變沿，在電路翻轉瞬間，電流比較大．存在較大的動態功耗。目前大多數電路都采用CMOS工藝，靜態功耗很小，可以忽略。起主要作用的是動態功耗，因此從降低動態功耗人手來降低功耗。
(3)短路功耗。因開關時由電源到地形成的通路造成的，其表達式為：

式中：κ由工藝和電壓決定；W為晶體管寬度；τ為輸入信號上升／下降的時間；f為工作頻率。
(4)漏電功耗。由亞閾值電流和反向偏壓電流造成。目前大多數電路都采用CMOS工藝。故漏電功耗很小，可以忽略。
1．2 電阻的功耗和有源器件的功耗
通常為負載器件和寄生元件產生的功耗。有源開關器件在狀態轉換時，電流和電壓比較大，將引起功率消耗。另外，CMOS電路中最大的功耗來自于內部和外部的電容充放電產生的功耗。