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基于C8051F系列单片机的低功耗设计

来源:中电网 / 作者:海军工程大学 赵志宏 李小珉 陈冬?? 2006年12月30日 ?? 收藏0
?????? 引言

?????? 在控制终端系统设计中,当系统要求整体功耗偏低时,C8051系列单片机是一个最佳的选择,它们拥有灵活的时钟硬件,使系统能够方便地在高效运作模式与低功耗模式间进行转换,智能的电源管理模式能够在正常工作及待机状态自由切换,从而降低整个系统的能量损耗,当工作频率低于10kHz时,时钟丢失检测器(MCD)能够引发系统产生复位,确保系统工作的安全可靠。

?????? 1 C8051F各部分组件的功耗

?????? 当一个系统对功耗要求严格时,可以在硬件电路建立前首先粗略计算一下整个系统所需的功耗,由于C8051F系列单片机为数模混合SOC系统,能够实现整个设计的大部分功能,因此整个设计系统的功耗将主要集中在C8015F系列单片机的能量消耗上。

?????? 整个单片机系统的功

耗应该由4部分组成,振荡器功耗、数字设备功耗、模拟外设功耗及I/O端口功耗,振荡器功耗包括内部振荡器的功耗以及外部振荡器功耗,数字设备能量消耗主要由CPU的工作模式,工作电压及系统时钟频率决定,温度与数字外围设备对数字设备的功耗影响很小,模拟外围设备功耗主要包含ADC,电压基准VREF、温度传感器、偏压发生器及内部振荡器,比较器也有少量的能量功耗。

?????? 1.1 振荡器功耗分析

?????? 外部振荡器具有很好的可配置性,为系统设计者提供了多种选择。时基信号可以从外部CMOS电平时钟源、晶振或陶瓷谐振器、RC组合电路或外部电容获得,每一种方法都有各自的优势,由于振荡器可以灵巧地在各种方式中转换,因此可以通过改变振荡器来降低功耗,对外部振荡器来说,外部CMOS时钟,电容和RC网络都能够提供较低的振荡频率。

?????? (1)外部CMOS时钟

?????? 当工作于外部振荡器CMOS时钟模式时,外部振荡器驱动被关闭,电路功耗电流微小可以近似忽略,XTAL2输出的时基信号可以用作CPU、计时器、PCA或其他外围设备的时钟源,注意,即使在某一端口应用了高频信号,功耗仍只有少量的增加。

?????? (2)外部晶振

?????? 外部晶振提供了最精确的时间基准,但随之而来的功耗在同一频率下也更高,外部晶振依赖于晶振频率和振荡器驱动电路(XFCN)。

?????? (3)外部电容C模式

?????? 外部电容模式通过将一个电容连接到XTAL2为系统提供低功耗时钟,这是精度最差的一种时基方式,但同时也是最灵活的一种方式,只用一个电容元件就可以提供8种不同的工作频率,最高频率几乎可达最低频率的3000倍,可以通过改变在OSCXCN寄存器中的XFCN位改变其振荡的频率,并直接影响其输出的电流,外部电容方式下的时基精度主要由电容的误差和流过XTAL2的内部电流源的精度决定。

?????? (4)外部振荡RC模式

?????? RC模式与电容模式十分相似,区别在于外部电容方式下电容的充电电流由接到XTAL2的内部可编程电流源提供,并且在RC模式下充放电电路除了包含电容外还要通过一个外部电阻器。RC模式振荡电路的平均功耗由通过电阻器的平均电流所决定,电阻器上的压降成指数倍大小,其波形可以简化为三角波来估计平均值。

?????? 通常,设计者可以通过合理地选择时钟源达到降低功耗的目的,内部振荡器消耗数字电源电流的典型值为200μA,用于驱动外部振荡器的电流是变化的,对于一个外部振荡源(如晶振),驱动电流(由模拟电源提供)用软件通过配置外部振荡器控制寄存器OSCXCN的XFCN位来设置,在驱动电流较大时用户可以使用内部振荡器以降低功耗。


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