當(dāng)前位置:首頁 > EDA > 電子設(shè)計自動化
[導(dǎo)讀] 引言  從事便攜式或手持產(chǎn)品設(shè)計的工程師都明白,在如今的設(shè)計中,必須要最大限度地降低功耗。但是,只有經(jīng)驗豐富的工程師理解盡可能地延長系統(tǒng)的電池壽命的那些微妙但又重要的細(xì)節(jié)。本文中我們將重點(diǎn)放在這些經(jīng)

 引言

  從事便攜式或手持產(chǎn)品設(shè)計的工程師都明白,在如今的設(shè)計中,必須要最大限度地降低功耗。但是,只有經(jīng)驗豐富的工程師理解盡可能地延長系統(tǒng)的電池壽命的那些微妙但又重要的細(xì)節(jié)。本文中我們將重點(diǎn)放在這些經(jīng)驗豐富的專家是如何使用超低功耗的復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD),并從他們的嵌入式設(shè)計中的I/O子系統(tǒng)節(jié)省每個微瓦的方法。

  1 嵌入式工程師青睞的器件CPLD

  盡管在最先進(jìn)的新興應(yīng)用中它們特別受歡迎,CPLD的成本低,體積小和低功耗的特性使他們成為幾乎所有的手持式或便攜式設(shè)計的首選。在這些應(yīng)用中,它們常用來整合邏輯功能,擴(kuò)展主處理器的I/O功能和監(jiān)控關(guān)鍵的輸入,從而使處理器有更多的時間處于低功耗睡眠模式。

  用作I/O的擴(kuò)展器件時,像ispMACH 4000ZE這樣的CPLD器件(圖1)給予簡單的嵌入式處理器額外的信號線和處理功能,他們能夠支持顯示器、按鈕、發(fā)光二極管,串行或并行I/O,或存儲接口。設(shè)計人員還經(jīng)常利用它們作為設(shè)計中通用處理器和更多的專業(yè)芯片組之間的緩沖,還能用于其他的應(yīng)用,如智能手機(jī)、GPS系統(tǒng),遠(yuǎn)程工業(yè)傳感器和數(shù)碼攝像機(jī)。

圖1 用Lattice ispMACH 4000ZE CPLD擴(kuò)展I/O

  2 用明智的方法管理泄漏電流

  由于可編程邏輯器件的泄漏電流主要取決于它是怎樣制造的,第一步就是要密切關(guān)注候選器件制造商提供的數(shù)據(jù)手冊的規(guī)范。只是簡單地購買廣告所述的低功耗器件并不能保證如你期望設(shè)計中達(dá)到的指標(biāo)完全一樣。經(jīng)驗豐富的設(shè)計師明白尋找“典型”和“最大”電流之間的實(shí)際關(guān)系需要根據(jù)具體的應(yīng)用(圖2)做出解釋。在許多應(yīng)用中,數(shù)據(jù)手冊中列出的所謂典型電流中提供了一個非常有用的CPLD汲取電流的近似值。然而,有幾個問題需要加以探討,以確保對設(shè)計的估計和實(shí)際功耗保持相對接近。

圖2 供給電流規(guī)范

  首先需要考慮的事項是CPLD占整個系統(tǒng)功耗的比例。如果這是一小部分,比如說5%~10%,即使最壞的情況將引起整個功耗有相對較小的變化。如果CPLD需要20%或以上的功耗預(yù)算,也許是開始根據(jù)額定待機(jī)電流考慮偏置設(shè)計的時候了,額定待機(jī)電流接近數(shù)據(jù)手冊中列出的最大電流。您還應(yīng)該考慮設(shè)計中CPLD(以及其他器件)的數(shù)量。由于電路板上元器件數(shù)量的增加,總功耗接近總的典型額定電流的概率也隨之增加。最后,如果您的產(chǎn)品以驅(qū)動它至最壞情況的功耗級別為目標(biāo),那么您需要考慮潛在影響:較高的功耗會縮短產(chǎn)品的壽命嗎?它是否會成為火災(zāi)的隱患?

  如果您仔細(xì)察看圖2中的數(shù)據(jù),你可能注意到,待機(jī)功耗還根據(jù)工作溫度和Vcc(電源電壓)而變化。這是因為CPLD的漏電流會隨溫度升高而增加。事實(shí)上,使您的設(shè)計完美將改善其待機(jī)功耗。由于漏電流與Vcc密切相關(guān),保持電源電壓盡可能的低可以節(jié)省更多的功耗。由于仔細(xì)的電源電壓管理能夠節(jié)省更多的動態(tài)功耗,在涉及運(yùn)作功耗管理時,我們會對這個方面進(jìn)行探討。

  2.1 設(shè)置偏置電流

  通過選擇合適的器件可以控制CPLD的泄漏電流,現(xiàn)在到了運(yùn)用你的工程技能調(diào)整偏置電流的時候了。用來管理偏置電流的技術(shù)大致分為兩種類型:

  確保CPLD的待機(jī)配置不與上拉/下拉或相關(guān)的其他器件所用的總線駐留技術(shù)相沖突;動態(tài)控制內(nèi)部功能塊(如振蕩器),使他們只開啟所需要的部分。具體取決于所使用的CPLD,這是增加更多的待機(jī)時間到設(shè)計中的好方法。

  2.2 并行駐留101方案

  在許多設(shè)計中,嵌入式主處理器可以使用自己的總線駐留方案,以保持在總線或I/O上所需的邏輯電平,所以你只須為CPLD的待機(jī)模式做準(zhǔn)備,確保其激活總線的管理功能被禁用。在其他應(yīng)用中,總線上其他地方的上拉或下拉電路也可以緩解在待機(jī)期間CPLD必須管理總線的情況。

  但是,不需要CPLD做任何事情并不意味著你也不需要做任何事情?;ㄐr間驗證只有一個設(shè)備驅(qū)動總線是一個重要的任務(wù),因為單個引腳上的邏輯沖突可導(dǎo)致待機(jī)功耗為整個芯片標(biāo)稱值10uA 閑置功耗的2~15倍。

  在主總線駐留機(jī)制無法使用情況下,可以使用上拉/下拉,以及在大多數(shù)現(xiàn)代的CPLD中擁有的總線保持功能。如同大多數(shù)同類器件,萊迪思的ispMACH 4000ZE CPLD的I/O引腳都配備了可選的上拉和下拉電阻,在待機(jī)狀態(tài)(圖3)可提供合適的邏輯電平。4000ZE系列還配備了節(jié)省功耗的總線保持功能(也稱為總線保持):一種弱激活驅(qū)動電路可設(shè)置為激活或零,同時產(chǎn)生比簡單的電阻器消耗小得多的功耗。一點(diǎn)忠告:雖然總線保持功能可大大節(jié)省功耗,但必須肯定它是唯一的在線有源器件,否則會有吸入大電流的風(fēng)險。

圖3 CPLD的總線管理選擇

  2.3 動態(tài)功耗管理

  設(shè)計人員需要關(guān)注兩種類型的動態(tài)功耗。運(yùn)行功耗預(yù)算的第一部分是CPLD需要實(shí)際工作時的那部分。管理策略的其他部分涉及關(guān)掉輸入至此刻不需要的CPLD的部分,阻止它們切換,或在可能的情況下將它們?nèi)筷P(guān)閉。

  2.4 精密的電源管理

  雖然CPLD邏輯的許多部分很可能被連續(xù)使用,在有意義的時間段內(nèi)不能禁用,因此使用低電源電壓仍然可以節(jié)省功耗。由于功耗是電壓平方的函數(shù),用1%的精確開關(guān)穩(wěn)壓器,可讓設(shè)計運(yùn)行于CPLD工作范圍的下限,您可以節(jié)省相當(dāng)多的功耗。例如,如果一個標(biāo)稱值為1.8V的CPLD工作在1.65V,它大約少消耗30%的功耗,這還不包括在較低Vcc的情況下泄漏電流的減少。

  2.5 選擇邏輯門

  如同大多數(shù)的CPLD,ispMACH 4000ZE具有一個功能(萊迪思稱為“Power Guard” 功耗衛(wèi)士),當(dāng)它們不需要相關(guān)的邏輯時,可禁用單獨(dú)的輸入。主機(jī)處理器、其他的外部邏輯,或CPLD的其他部分可以使用器件的塊輸入使能線,以保持CPLD的邏輯選定的塊被時鐘控制(圖4)。例如,如果CPLD的某個部分被用作解碼器電路,只有該功能正在使用時,主處理器可以使它能工作,使之能夠在其余的時間保持休眠狀態(tài)。

圖4 Power Guard電路

  根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用使用Lattice的Power Guard或其他方法來禁用時鐘至選定的CPLD的輸入引腳,這樣可以大大降低動態(tài)功耗。尤其是如果邏輯信號的時鐘頻率超過30兆赫時,這些方法特別有用。圖5說明了可以用選擇邏輯時鐘技術(shù)實(shí)現(xiàn)潛在的節(jié)省功耗的方法。

圖5 Power Guard 節(jié)省的功耗

  3 針對低功耗的I/O設(shè)計

  除了使用已經(jīng)闡述的技術(shù),目前大部分項目給予精明的工程師更多節(jié)省多余的微瓦功耗的機(jī)會-如果他們愿意關(guān)注潛伏在許多設(shè)計中的微小能源汲取部分。一個好的例子是無處不在的為開關(guān)提供讀出電壓的上拉電阻,以及連接到CPLD的輸入線(圖6)。通過使用CPLD的輸出,或其他控制線至電源電壓到讀出線,只有當(dāng)他們被讀取時,并且讀出線接地時,設(shè)計人員方可去除這個小而穩(wěn)定的電流。

圖6 無源和有源功率開關(guān)讀出線

  4 結(jié)語

  大多數(shù)基于CPLD設(shè)計至少包括一些未引起注意的角落,在這些地方潛伏著耗能大戶,他們悄悄地汲取電池的能量。幸運(yùn)的是,認(rèn)真實(shí)施一些重要的原則可以制止這些討厭的寄生部分。當(dāng)選擇CPLD和其他元件時,注意其靜態(tài)和動態(tài)功耗等級:他們隨供電電壓、溫度和工作頻率而變化。同樣要注意“最小”、“最大”和“典型“功耗指標(biāo),它們將影響你的設(shè)計。盡量減少CPLD的偏置電流,確保其待機(jī)配置不與其他與之相連的器件相沖突,關(guān)閉任何不必要的內(nèi)部功能。

  管理動態(tài)功耗,只給當(dāng)前CPLD需要的部分加時鐘。萊迪思的Power Guard功能提供一個簡單的方法來選擇關(guān)閉時鐘至專門的輸入,如果無法使用的話,還有其他的技術(shù)可用。使用精確的電源控制驅(qū)動邏輯,可實(shí)現(xiàn)節(jié)省額外的動態(tài)功耗,使用盡可能低的電源電壓。檢查I/O的連接,看看是否有不必要的可去除的加載的汲取功耗的上拉/下拉電阻,或只在需要時才選擇加載電阻。

  如果你仔細(xì)地將這些工具應(yīng)用到下一個項目,設(shè)計中就不會有隱藏的汲取功耗的大戶,你的產(chǎn)品將會有很長的壽命哦!

本站聲明: 本文章由作者或相關(guān)機(jī)構(gòu)授權(quán)發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點(diǎn),本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實(shí)性等。需要轉(zhuǎn)載請聯(lián)系該專欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益,請及時聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫?dú)角獸公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關(guān)鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

加利福尼亞州圣克拉拉縣2024年8月30日 /美通社/ -- 數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)解決方案公司Trianz今天宣布,該公司與Amazon Web Services (AWS)簽訂了...

關(guān)鍵字: AWS AN BSP 數(shù)字化

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國汽車技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車工程師從創(chuàng)意到認(rèn)證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車。 SODA V工具的開發(fā)耗時1.5...

關(guān)鍵字: 汽車 人工智能 智能驅(qū)動 BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來越多用戶希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運(yùn)行,同時企業(yè)卻面臨越來越多業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險,如企業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性,提升韌性,成...

關(guān)鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對日本游戲市場的投資。

關(guān)鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會開幕式在貴陽舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關(guān)鍵字: 華為 12nm EDA 半導(dǎo)體

8月28日消息,在2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會上,華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關(guān)鍵字: 華為 12nm 手機(jī) 衛(wèi)星通信

要點(diǎn): 有效應(yīng)對環(huán)境變化,經(jīng)營業(yè)績穩(wěn)中有升 落實(shí)提質(zhì)增效舉措,毛利潤率延續(xù)升勢 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競爭力 堅持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強(qiáng)核心競爭優(yōu)勢...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運(yùn)營商 數(shù)字經(jīng)濟(jì)

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺與中國電影電視技術(shù)學(xué)會聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會上宣布正式成立。 活動現(xiàn)場 NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會上,軟通動力信息技術(shù)(集團(tuán))股份有限公司(以下簡稱"軟通動力")與長三角投資(上海)有限...

關(guān)鍵字: BSP 信息技術(shù)
關(guān)閉
關(guān)閉