动态测试系统微功耗技术研究

郭红英,高 雁

(忻州师范学院物理与电子系,山西忻州 034000)

动态测试系统通常都是放置在被测体内部,无法从外界获得电源,必须自带供电设备,由于被测体空间的缘故,测试系统体积不能太大,电池体积也要尽可能小[1],这就会造成电池容量较小。因而测试系统在满足测试要求的情况下,功耗要尽可能地实现微功耗。

1 低功耗元器件的选择

数字电路的功耗:数字IC主要选用74HC系列高速COMS电路,或4000系列低速COMS电路,尽量少用74LS电路。通常存储器的功耗和容量的关系不大,故无论从功耗角度还是体积角度应尽可能选一片大容量存储器而不是选多片小容量存储器[2]。

模拟电路的功耗:选用单电源轨到轨运放,选用可关断或具有省电模式的A/D。

2 降低工作电压

降低功耗一个非常有效的途径就是降低整个系统的工作电压。由公式P=U2/R可知,系统功耗与工作电压的平方成正比,所以降低工作电压是降低功耗的有效方法。即使不改变电路的结构,通过降低工作电压就可以显著地减少功耗。在这里,我们假设电路的主要结构不变,将工作电压从5V降低到3.3V就可节约56%的功耗,如果降低至2.5V,则可节约75%的功耗。因此,通过降低工作电压来实现微功耗是非常有效的[3]。但是系统的工作电压是不能无限制降低的,降低电压会影响电路的速度,同时电压降低时,引起的延时将导致电路性能的下降。只能在满足电路性能的条件下降低电压才有现实意义。

3 减小负载电容

系统的动态功耗与负载电容成正比,因此减小负载电容是降低整个系统功耗的又一有效途径。在CMOS电路当中,电容主要体现在两方面:一方面是器件栅电容和节点电容,它们和器件生产工艺息息相关;另一方面是连线电容。随着生产工艺的不断改进,器件电容越来越小,而电路结构越来越复杂,导致布线电容已经超过了器件电容。为了减小整个系统的负载电容,在器件选择上可以选择小器件,PCB设计时应该尽可能减小连线长度以及电路板上下平行布线。

4 电源控制技术

电源控制技术的主要设计思路为:在电路需要工作时进行供电,不需要工作时停止供电,减小电路等待状态的功耗。通常可采用单电池电源来实现多分支电源管理,达到系统各功能模块相对独立供电,待机状态可以分别断电,达到降低功耗的目的。电路开关的选择,应选择导通电阻小、开关速度快、静态功耗小、驱动电流小的器件;及时关闭系统中闲置的部件,使其转入低功耗的睡眠模式,可起到降低功耗的作用。

从功率时间因子的角度来看,降低某一状态的功耗可通过减小该状态的电流或缩短该状态的持续时间来实现。相对于数据待读出态,状态的持续时间应尽量满足测试要求,降低功耗只能依靠减小电流来实现。从测试系统接通电源,经过安装等过程,到信号触发开始正式记录工作,有效的记录时间只占触发前很短的瞬间。如果在通电后测试系统不马上进入待触发状态,而是处于微功耗的接通电源态,等到邻近正式记录前,再通过某种上电控制系统进入待触发状态,就可以极大地缩短待触发状态的持续时间,进而极大地减小系统工作的功耗时间因子。

也就是说,将测试系统分为五种状态:接通电源态、待触发状态、触发态、等待读出态、读出态。以放入式电子测压器为例。接通电源态时关断大部分电路的电源,只有状态触发器等少数电路工作。接通电源态是可持续很长时间的微功耗状态 (几个微安)。待触发状态和触发态时电路各部件全部工作,功耗最大 (几个毫安)。从接通电源态到待触发状态的转换由上电开关的状态决定[2]。触发态后记录一定长度的数据后进入等待读出态,等待读出态大部分电路处于关断电源状态,该状态可持续很长时间 (几十个微安)。由此看出采用电源控制技术不仅解决了测试系统由于电池能量不足带来的测试问题,而且能更好地适应被测系统的要求,使用上更加方便。

例如:某型号放入式电子测压器,未使用电源控制技术时,工作状态的功耗如表1。

表1 未使用电源控制技术时工作状态功能示意

从表1可见,电路所需电池的总耗电量为450mA·h,从目前的电池原理及工艺看,电池体积都太大,无法满足测试要求 (测压器体积要求小于装药量的2%)。由于在等待触发态电路的功耗最大,且大部分时间属于无效工作状态,把等待触发态分解为接通电源态和等待触发态后,则各工作状态的功耗如表2。

表2 采用电源控制技术后工作状态功能示意

比较以上两种情况,采用电源控制技术后电子测压器的功耗降低为原来的1/65;选用容量70mA·h,最大工作电流7mA的小体积电池即可满足电子测压器再进行10次测量。

上述技术的实现一方面靠的是电路系统的设计,另一方面靠各种上电开关实现。电路中采用多种电源需注意以下问题:

由于电路中有多种电源供电,为了保证系统的可靠工作,需要采取一些措施[4]。以CMOS器件为例,在CMOS电路中存在着输入端保护电路和输出端保护电路。输入端保护网络有四个元件组成,一个多晶硅电阻R1,一个连接到VCC的二极管D1,一个是连接到地的扩散二极管D2及电阻R2。这样要求在进行电源控制时要解决电路中不同供电部分的电气相容性问题,也即在系统部分断电时,断电部分电路与其他部分电路不能发生电气冲突,可通过电路的保护设计很好地解决这一问题[5]。

5 进行电路的优化设计

优化设计应注意的基本原则有:

(1)深入进行功能分析,去掉多余的功能,简化设计目标,可采用状态图的设计方法;

(2)测试系统降低功耗的一个重要原则,就是尽量用软件替代硬件的原则。

这样不仅简化了硬件设计,而且对降低功耗也起到了重要的作用。例如可以使用软件来实现接口电路中的串并转换电路的功能,既简化了电路的硬件结构节约成本,又减少了系统功耗。

[1]张文栋.存储测试系统的可靠性分析[J].测试技术学报,1994,8(2):12-15.

[2]祖静,申湘南,张文栋.存储测试技术[J].兵工学报,1994(4).

[3]陈鸿.通用存储测试系统控制器研究[D].太原:太原机械学院,1992.

[4]葛芬,吴宁.功耗优化的片上网络协同映射[J].应用科学学报,2008,26(6):606-612.

[5]陈俊峰,杨向萍.基于MSP430F149的便携式仪器的低功耗设计[J].集成电路应用,2004(12):36-38.