嵌入式系统低功耗设计.pptx
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1、嵌入式系统低功耗设计嵌入式系统低功耗设计嫦娥二号中的低功耗系统嫦娥二号中的低功耗系统第1页/共42页计算机功耗计算机功耗功耗:设备输入功率和输出功率的差额功耗:设备输入功率和输出功率的差额 计算机是一种电子设备,正常工作必定产生功耗计算机是一种电子设备,正常工作必定产生功耗 独立工作的嵌入式系统,如果没有输出功率,其独立工作的嵌入式系统,如果没有输出功率,其消耗的电能最终都转化消耗的电能最终都转化热量热量热量热量 过高的功耗会带来过高的功耗会带来散热、能源浪费、电磁干扰、散热、能源浪费、电磁干扰、散热、能源浪费、电磁干扰、散热、能源浪费、电磁干扰、稳定性降低、安全隐患稳定性降低、安全隐患稳定性
2、降低、安全隐患稳定性降低、安全隐患等一系列问题等一系列问题 第2页/共42页嵌入式系统低功耗设计的重要性嵌入式系统低功耗设计的重要性 低功耗设计可延长电池供电系统低功耗设计可延长电池供电系统持续工作时间持续工作时间持续工作时间持续工作时间 低功耗设计是延长系统使用低功耗设计是延长系统使用寿命寿命寿命寿命、提高系统、提高系统稳定稳定稳定稳定性的需要性的需要 低功耗设计降低系统的低功耗设计降低系统的散热散热散热散热要求要求 低功耗设计有利于低功耗设计有利于节约能源节约能源节约能源节约能源 低功耗设计可减少系统的低功耗设计可减少系统的电磁辐射电磁辐射电磁辐射电磁辐射 低功耗设计可提高系统的低功耗设计
3、可提高系统的安全性安全性安全性安全性 第3页/共42页计算机主板中的散热器计算机主板中的散热器第4页/共42页功耗类型功耗类型 静态功耗静态功耗静态功耗静态功耗:门电路的状态不发生翻转时,门电路:门电路的状态不发生翻转时,门电路的功耗,的功耗,CMOSCMOS门电路的静态功耗非常小门电路的静态功耗非常小动态功耗动态功耗动态功耗动态功耗:当门电路状态发生翻转时产生的功耗。:当门电路状态发生翻转时产生的功耗。电平发生翻转时,会产生瞬间的大电流,并引起电平发生翻转时,会产生瞬间的大电流,并引起负载电容的充负载电容的充/放电,产生较大功耗放电,产生较大功耗动态功耗是影响系统功耗的主要因素动态功耗是影响
4、系统功耗的主要因素 第5页/共42页CMOS非门电路结构非门电路结构 当当V VININ=0V=0V时,时,T TN N截止,截止,T TP P导通,导通,V VOUTOUTVVDDDD,为,为高电平高电平当当V VININ=V=VDDDD时,时,T TN N导通,导通,T TP P截止,截止,V VOUTOUT0V0V,为,为低电平低电平 CMOSCMOS非门电路在静止非门电路在静止状态下,总有一个状态下,总有一个MOSMOS管处于截止状态管处于截止状态(nW(nW级级功耗功耗)CMOSCMOS门电路动态功耗门电路动态功耗包括两个部分:电容充包括两个部分:电容充放电功耗、瞬时导通功放电功耗、
5、瞬时导通功耗耗 第6页/共42页CMOS门电路电容充放电门电路电容充放电功耗功耗Pturn当输入翻转为当输入翻转为“0”0”时,时,T TP P导通,电源通过导通,电源通过PMOSPMOS向负载电容充电向负载电容充电当输入翻转为当输入翻转为“1”1”时,负载电容通过时,负载电容通过T TN N向向地放电。地放电。随着随着CMOSCMOS门电路状态的改变,负载电容上门电路状态的改变,负载电容上不断发生充、放电过程,从而产生功耗,这不断发生充、放电过程,从而产生功耗,这就是就是电容充放电功耗电容充放电功耗电容充放电功耗电容充放电功耗 电容充放电引起的平均动态功耗电容充放电引起的平均动态功耗占门电路
6、全部功耗的占门电路全部功耗的70%70%到到90%90%第7页/共42页CMOS门电路瞬时导通功耗门电路瞬时导通功耗Pshort 实际应用中,转移曲线并不是理想的方形,实际应用中,转移曲线并不是理想的方形,BCDEBCDE时间不为零,零内阻的时间不为零,零内阻的MOSMOS管会在电源与地之间形管会在电源与地之间形成直接短路的现象成直接短路的现象 对大多数芯片,瞬时导通功耗占总动态功耗的对大多数芯片,瞬时导通功耗占总动态功耗的5%5%到到10%10%第8页/共42页电路功耗的组成电路功耗的组成P=PP=Pturnturn+P+PShortShort+P+PLeakageLeakage :CMOS
7、CMOS门电路总的平均门电路总的平均动态功耗动态功耗电容充放电功耗和瞬时导通功耗组成的动态功耗电容充放电功耗和瞬时导通功耗组成的动态功耗是主要因素,静态功耗的影响较小是主要因素,静态功耗的影响较小动态功耗是总功耗的主要部分,但静态功耗也是动态功耗是总功耗的主要部分,但静态功耗也是不可忽视的一部分不可忽视的一部分第9页/共42页电路系统功耗设计的基本原则电路系统功耗设计的基本原则 电源电压宜低不宜高电源电压宜低不宜高,工作电压的降低可以显著减少系统功耗。时钟宜慢不宜快时钟宜慢不宜快,所以在满足需求的前提下,尽可能降低系统工作时钟的频率。系统宜静不宜动系统宜静不宜动,在没必要的时候,可停止系统的工
8、作,如关闭工作时钟、停止对内存的访问、停止总线的时序操作等第10页/共42页系统级硬件功耗控制方法系统级硬件功耗控制方法 选择低功耗器件选择低功耗器件 采用低功耗电路形式采用低功耗电路形式 充分利用器件的低功耗工作模式充分利用器件的低功耗工作模式 选择低功耗电源电路选择低功耗电源电路 分区分时供电分区分时供电 动态电压与频率调节动态电压与频率调节 其它硬件功耗控制方法其它硬件功耗控制方法 第11页/共42页选择低功耗器件选择低功耗器件CMOSCMOS器件具有低功耗、高输入阻抗的特点,广器件具有低功耗、高输入阻抗的特点,广泛采用泛采用CMOSCMOS器件可降低嵌入式系统功耗器件可降低嵌入式系统功
9、耗 选择处理器时,不仅要关注其计算速度、接口和选择处理器时,不仅要关注其计算速度、接口和功能的多少,还要关注其功耗特性功能的多少,还要关注其功耗特性 选择存储器、接口控制器等器件时也要考虑功耗选择存储器、接口控制器等器件时也要考虑功耗的问题的问题 第12页/共42页采用低功耗电路形式采用低功耗电路形式 功耗可以达到功耗可以达到100W200W左右左右 第13页/共42页采用低功耗电路形式采用低功耗电路形式功耗功耗20W左左右右 第14页/共42页采用低功耗电路形式采用低功耗电路形式系统功耗可控制在系统功耗可控制在10W以内以内 第15页/共42页充分利用器件的低功耗充分利用器件的低功耗工作模式
10、工作模式 从处理器,到各类接口控制、存储器,很多都有不同从处理器,到各类接口控制、存储器,很多都有不同的功耗模式的功耗模式软件控制软件控制S3C44B0XS3C44B0X时钟发生器是否向各个功能模块时钟发生器是否向各个功能模块提供时钟,从而实现功耗的控制提供时钟,从而实现功耗的控制 S3C44B0XS3C44B0X有有5 5种功耗模式:正常模式、慢速模式、停种功耗模式:正常模式、慢速模式、停机模式、机模式、IDLEIDLE模式、模式、SL IDLESL IDLE模式模式第16页/共42页选择低功耗电源电路选择低功耗电源电路 嵌入式系统需要直流供电。通常嵌入式系统需要直流供电。通常情况下,先由外
11、部直流电源或电情况下,先由外部直流电源或电池提供初级的直流供电,在电路池提供初级的直流供电,在电路板上再用板上再用DC-DCDC-DC电源电路将输入电源电路将输入电压变换为电路需要的各种电压电压变换为电路需要的各种电压DC-DCDC-DC电源电路会产生功耗,电源电路会产生功耗,电电电电压转换效率压转换效率压转换效率压转换效率越低,功耗越大。在越低,功耗越大。在嵌入式系统的低功耗设计中,电嵌入式系统的低功耗设计中,电源电路自身的功耗是一个需要重源电路自身的功耗是一个需要重点考虑的因素点考虑的因素 直流电直流电源输入源输入第17页/共42页线性稳压电源原理线性稳压电源原理 缺点:缺点:缺点:缺点:
12、效率低、功耗大、常需要散热效率低、功耗大、常需要散热优点:优点:优点:优点:稳定性高、纹波小、电磁兼容性能好、电路简稳定性高、纹波小、电磁兼容性能好、电路简单单第18页/共42页集成线性稳压器集成线性稳压器第19页/共42页DC-DC开关电源开关电源Boost升压型电源Buck降压型电源第20页/共42页Boost升压型电源变换电路原理升压型电源变换电路原理 当开关管导通时,二极管可防止电容对地放电,当开关管导通时,二极管可防止电容对地放电,输入电源对电感充电;当开关管断开时,电感存输入电源对电感充电;当开关管断开时,电感存储的电能向电容充电,使电容两端电压升高。如储的电能向电容充电,使电容两
13、端电压升高。如果电感量、电容量足够大,开关管通断的过程不果电感量、电容量足够大,开关管通断的过程不断重复,可以在电容两端得到高于输入电压的电断重复,可以在电容两端得到高于输入电压的电压。压。Boost升压型电源变换电路升压型电源变换电路 第21页/共42页 Buck降压型电源变换电路降压型电源变换电路 通过开关管的通断,将输入直流电压变为方波,通过开关管的通断,将输入直流电压变为方波,再利用再利用LCLC滤波电路对方波进行滤波,得到比输滤波电路对方波进行滤波,得到比输入电压低的输出电压。输出电压与方波的占空比入电压低的输出电压。输出电压与方波的占空比及开关频率有关。及开关频率有关。Buck降压
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