低功耗设计是电子产品设计中一项很重要的技术。本文是作者在进行了产品设计以后，对于用电池供电且主要处于“待机”状态下的产品如何进行低功耗设计的总结，包括如何选用器件、如何设计电源及信号采集电路、如何编写软件等几个方面，可以作为电子设计师的参考资料。
电池供电的电子产品，比如收音机、手机、电子钟、数码相机、电子门铃、便携式电子仪表等，为了避免频繁地更换电池，都对产品的低功耗有很高的要求，而且这方面性能的好坏往往是决定用户能否接受该产品的关键因素，所以，低功耗设计是电子设计师们非常关心的一项技术，很多的文献和论文也都探讨了这项技术。然而，“低功耗”也是一个范围很广的概念，因为不同的产品使用方式不一样，耗电的侧重点也就不一样，像收音机、数码相机等，它们没有“待机”的概念，功耗主要在产品运行过程中；而手机、电子门铃等，其真正使用的时间并不长，大多数时间都处在“待机”状态，因此它们除了工作时的功耗外，待机时的功耗也是一个很重要的问题。另外，不同的产品，用户对其低功耗要求的程度也不一样，手机的带电时间三五天即可，而电子门铃、电子钟等的带电时间必须有好几个月乃至一年以上才能被接受。本文要讨论的低功耗设计方案针对的是电子门铃、电子门锁、便携式仪表之类的产品。这类产品的共同特点是：产品以干电池供电，24小时保持开机，但大多数时间处于“待机”状态，间或采集一些开关量信号(且开关量的变换频率很低)，进行一定的信号分析以后，输出相应的开关量控制信号并驱动LED和蜂鸣器等，要求待机时间半年以上。
仪表的功耗分为静态功耗和动态功耗，静态功耗是指电路状态没有变化时的功耗，也就是上面所说的“待机”时的功耗；动态功耗是指有电路状态变化时的功耗，此时电路中电流比较大，会有比较大的功耗。对一般的电子系统来讲，动态功耗是主要的，因为现在很多器件都采用CMOS工艺，相比TTL工艺，CMOS工艺器件的静态功耗很小，在许多系统中都可以忽略。但对于我们要讨论的这类仪表来说，由于要求电池带机时间长，而绝大部分时间又处于静态功耗的情况下，所以静态功耗也很重要．不能忽略。
一、单片机系统的设计
单片机是该类仪表的核心器件，是主要的功率消耗点，因此，单片机的选择很大程度上决定了仪表的功耗。
为了尽量降低单片机的静态功耗，可以采用单片机的掉电模式，掉电模式下单片机处理器停止工作，功耗很低。一般的单片机都有掉电模式，但很多单片机在掉电模式下只有复位才能唤醒，不能满足我们的需求，因此我们一定要寻找可由外部中断唤醒的单片机。比如我们在一款仪表中选用philips的P89LPC932A1单片机，它就具有外部中断唤醒的功能。
动态功耗与单片机的工作时钟，内核工作电压以及I／O口的电流有很大的关系。工作时钟频率越低、内核工作电压和I／O口的工作电流越小,动态功耗也就越
小。对于CMOS芯片的动态功耗，有一个估算公式：
式中，为芯片的负载电容，为芯片的工作电压，为芯片的工作频率。从这个公式可以简明地看出动态功耗与哪些因素有关。
上面提到的philips的P89LPC932A1单片机采用的是CMOS工艺，工作电压范围为2．4～3．6V，I／O口可承受5V电压，工作频率可以为20kHz～12MHz，有空闲模式和两种不同的掉电模式，在完全掉电模式下，典型电流为1μA，这样，其静态功耗可以控制得很小。
除了单片机选型外，单片机系统设计还包括数据存储器和程序存储器的选择。从产品功能来讲，这两个的容量越大、总线宽度越宽、速度越快越好。但从功耗来讲，则正好相反：总线宽度越小、容量越低、速度越慢，则功耗就越低。其中总线宽度之所以影响功耗，是因为每条总线都有一定的容性负载，一般大约为4～12pF，总线宽度越大，芯片的容性负载也越大，所以动态功率也越大(见上式)。如果单片机自己带有程序存储器和数据存储器，利用单片机自带的这些存储器可以节省功耗。比如P89LPC932A1自带有8kB的FLASH存储器、512字节的E2PROM数据存储区和256字节的RAM。我们在使用时程序存储器空间足够，但E2PROM数据存储器还不够，从省电的角度考虑，我们选择了一款串行的E2PROM--24C64，这样虽然对片外的E2pROM的操作速度慢一些，但功耗可以降下来。
另外，为了减少功耗，在选择器件时要尽量选用集成度高的器件。也就是说，要用尽量少的器件来实现单板所要完成的功能。通常来讲，使用的元器件越少，系统功耗就越低。在选用单片机的时候，也最好选用能实现板上大部分功能的单片机。
二、开关量采集和输出电路的设计
开关量只有0和1两种状态。分为常开型和常闭型两种，在设计的时候要分开处理。是常开型的，就要设计成在开路的状态下，功耗比较少；是常闭型的，就要设计成在闭合状态下，功耗比较少。对于常开型的检测开关量，可以如图1所示的设计。
图1中开关量一般处于打开状态，此时单片机的I／O口处于逻辑高电平，此时检测回路是断开的，没有电流。所以静态时功耗很小。
对于常闭型开关量，可以如图2所示的设计。
图2中开关量一般处于闭合状态，此时，三级管不导通，单片机的I／O口处于逻辑高电平，图中基极电阻R2阻值很大，所以此时电流也很小。静态功耗也很低。
除了静态时的功耗外，还要考虑外围电路的动态功耗，这就涉及到上拉电阻的选取。上拉电阻在单片机允许的情况下尽量选大些。这样动态电流较小，动态功耗也就小一些。
对于开关量输出电路，在单片机的I／O口输出为逻辑高电平时，让驱动电路处于工作状态，开关量导通；单片机的I／O输出为低时，外围器件停止工作，开关量闭合。这样，在动态工作和静态时。其电流基本上由上拉电阻确定，可以通过选择比较大的上拉电阻来降低功耗。
在设计电路时还要注意的是：不用的CMOS器件管脚要通过下拉电阻接地(可以用比较大的下拉电阻)。因为CMQS悬空的输入端的输入阻抗极高，很可能感应一些电荷导致器件被高压击穿，而且还会导致输入端信号电平随机变化，导致单片机在休眠时不断地被唤醒，从而无法进入休眠状态或导致其它莫名其妙的故障。
另外，在单片机的驱动能力可以满足要求时，就不要外加其他的驱动芯片或BUFFER，以避免不必要的功率消耗。
三、软件的处理
不同的软件算法消耗的时间不同、使用的指令不同，因而消耗的功率也不同。因此，从软件上进行低功耗设计时，可以有意识地选择消耗时间短的指令和设计消耗功率小的算法，降低系统的功耗。
一般来说，对开关量的检测有中断和扫描两种方式。采用中断方式时，将开关量接到中断管脚上，在开关量没有变化引起中断的时候，单片机一直处于完全掉电状态，只有当检测到开关量变化时，单片机才被激活，执行中断程序去处理开关量，这样可以极大地减少单片机的运行时间。降低功耗。所以只要开关量变化不是很快，单片机的中断程序能够处理得过来，就应该尽量采用中断的处理方式，它比扫描方式要省电得多。一般单片机的中断引脚不是很多，当开关量的个数多于单片机的中断引脚数时，可以参考图3的设计电路。
在设计延时程序时要尽量采用硬件定时器延时而不采用常用的软件延时程序。这样，在延时时，单片机可以进入休眠状态从而降低功耗。
在设计显示程序时要尽量采用静态显示。显示的信息通过锁存器保存。这样在显示时，单片机可以进入休眠状态。
另外，在软件初始设置时应该将单片机的许多本产品用不着的功能，比如实时时钟等关闭掉以减少功耗。
四、电源的设计
电源的设计也是低功耗设计的一个重点，因为电源供电系统的效率、功耗在很大程度上影响了系统的功耗。但是，电源设计除了要求尽量省电外，其性能的稳定性，特别是电池供电系统的电源的稳定性要求也很高，因为电源不稳定特别容易造成系统的误操作，影响系统的可靠性。所以在作电源设计时，要兼顾效率与稳定两个方面，不能因为省电而影响稳定。
目前电源供电主要有LDO(线性稳压)和DC／DC(开关电源)两种，线性稳压的特点是电路结构简单，所需元件数量少，输入和输出压差可以很大，但是效率低，功耗高，输入输出的压差越大，可提供的最大输出电流越小，同时效率也降低；DC／DC电路的特点是效率高，升降压灵活，但电路相对复杂，干扰较大。设计时应该根据具体情况加以选择。
小结：功耗问题是近几年来人们在嵌入式系统特别是采用电池供电的系统设计中普遍关注的难点与热点，降低功耗可以延长电池的寿命，延长用户更换电池的周期，提高系统性能并降低系统开销，甚至能起到保护环境的作用；降低功耗还可以降低电磁干扰，使电磁兼容性设计变得容易；另外，降低系统功耗还可以更好地满足安全的需要。总之，低功耗设计已经成为一个越来越迫切的问题，它涉及到软件、硬件、集成电路工艺等多个方面，在具体设计时要综合考虑，综合应用，以降低系统功耗。
