基于低功耗电路设计的几点考虑

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1、基于低功耗电路设计的几点考虑摘要:集成电路和计算机系统的发展对低功耗的要求越来越高。本文探讨了低功率电路和系统的发展趋势,分析了功耗产生的主要原因以及与成本的关系,并提出了几种实现低功率的方案。　　关键词:低功耗设计　　:TP3:A:1007-9416(2010)08-0154-01　　　　如今,集成电路和计算机系统正变得越来越复杂。为了适应这一变化,在设计时就要考虑功耗的要求。低功率逻辑电路的标准被定义为每一级门电路功耗小于1.3uHz,而在模拟电路中被定义为小于5mOS电路中,理想情况下,I-V转移曲线是一个瞬态函数,当I-V转移曲线跨越门限时,从一个状态转移到另一个状态不消耗功率。但在

2、实际应用中,转移曲线并不是理想的方形,因此每次状态转移时都会有大的(潜在性)开关电流。理论上看,在状态转移过程最坏情况下,具有零内阻的开关器件会在电源与地之间形成直接短路的现象。　　在CMOS电路中,最大的功耗来自于内部和外部电容的充放电,通常用OS电路的电源电压,T是上升或下降沿时间,C是后级负载电容,因此峰值电流通常都比较大。平均开关功率P=C(V)2F,此时C是指输出端的负载电容,V是供电电压,F则是开关频率。　　　　3功耗的系统成本　　系统功率越大,所需要的电源电压也越高,成本也就更昂贵,由此产生的影响涉及到电源总线、板上旁路电容、母板布线、电源线滤波器甚至电源电缆和熔丝等。另外,较

3、大的供电电源需要更多的空间,因此可能会影响到系统的总体封装。　　电池尺寸、重量和成本取决于系统对整体功率的要求以及每次充电所要求的工作时间。一般情况下,电池越大成本越高。备份电池和充电器在尺寸与重量方面可能与原设备相当,因此会严重影响设备的便携性。因此,系统整体功率要求得越低,在电源方面开销就越少。同时小型电源产品占用空间小,自身功率消耗得也较少,因此会对系统整体功耗有益。　　其它问题包括风扇与另外一些散热元件的成本,当需要加速空气流通时成本也会相应增加;散热器与排热管有助于热源热量的散发,但仍需将热量从系统中排除出去。低成本的塑料封装不能适应高集成度IC的高功率特性要求,这迫使其采用具有热

4、量管理功能的昂贵封装或其它更复杂的冷却系统。　　　　4低功率电路的实现方案　　IC工业正寻求多种途径来满足低功率系统要求,其中一个途径是将数字器件的工作电压从5V变为3.3V,将模拟器件的电源电压从±15V变为5V单电源。这些改变归功于先进的硅片技术与电路结构。未来数字芯片工作电压的发展趋势将是2.5V、1.8V甚至更低的电压,它们均是0.9V(电池电压的最低极限)的倍数。器件的复杂度、更高的工作频率和器件物理性质将共同促进这一发展趋势,届时亚微米几何尺寸的更小型器件所具有的较薄氧化层将难以承受更高的电源电压。　　为满足低功率系统要求,有些厂商还会采取在产品中增加3V内核单元和宏的方法。这些

5、产品经过优化能同时工作在3V或5V电源下,并具有相同的性能指标,利用特殊的接口单元,它们仍保留有5V电源接口。而影响供电电压快速更新换代的最大障碍在于,现有的大量系统都采用5V电源,这些系统要求产品保留与其它5V(TTL)接口的后向兼容性。　　此外,在系统设计中,粗略评估速度,并在可能的情况下适当改变元件的选择,也可以降低功率。　　下列方案可供选择:(1)降低工作电压。当电压从5V降低为3V时功耗将减少60%。(2)采用智能电源。在系统中增加适当的智能预测、检测,并仅在需要时才对系统供电。许多膝上型电脑及其电源管理就具有这种特殊的机制,只给需要工作的电路加电,并在不必要时降低时钟速率。(3)

6、采用较低的时钟速率。由于CMOS电路中功率是开关频率的函数,因此较低的时钟速率下器件的功耗也较小。(4)对输入信号作出限制。在模拟电路(包括A/D转换器)中,限制输入信号的带宽有助于减少对高速电路的要求,如果有可能降低A/D转换器的速率,也能减少功耗。(5)对I/O进行设置,使它只在工作时消耗功率。但从不工作状态到工作状态的转换需要较长的时间,另外一个副作用是可能产生与输出电路有关的额外漏电流,使输出电压降至电源的一半,并使其它输出电路处于很高的漏电交叉工作区域。　　　　5结语　　低功率电路仍是人们需要深入调查研究的对象,在提高性能的同时降低功耗将是我们努力实现的目标,即在有限的功率指标下实

7、现更高电路性能的能力,还要满足基本的系统性能指标要求、成本目标要求。