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80C51便携式产品中的低功耗设计

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

Steve,atwelve-year-oldboywithalcoholicparents,wasabouttobelostforever,bytheU.S.educationsystem.Remarkably,hecouldread,yet,inspiteofhisreadingskills,Stevewasfailing.Hehadbeenfailingsincefirstgrade,ashewaspassedonfromgradetograde.Stevewasabigboy,lookingmoreli摘要:通过一个使用钮扣电池的PDA产品的设计实践,介绍80C51系列单片机的低功耗设计理论、原理和使用电池的便携式产品的低功耗设计方法及技巧。
  关键词:单片机80C51PDA功耗液晶
  
  前言
  
  80C51单片机由于功能全面、开发工具较为完善、衍生产品丰富、大量的设计资源可以继承和共享,得到广泛的应用。我们设计的一款手持线PDA产品,也选择80C51单片机作为主、辅CPU,还具备点阵液晶显示屏、导电橡胶键盘、双IC卡接口、EEPROM存储器、实时时钟和串行通信口。由于使用80C51单片机开发,高级语言编程,大大降低了设计的技术风险,产品在较短的时间内就推向了市场。
  
  但是,同一些低速的微控制器(如4位单片机)和高速的RISC处理器相比,80C51单片机在功耗上没有优势。为了在PDA类产品中发挥80C51单片机的上述特长,我们通过采取软、硬件配合的一系列措施,加强低电压、低功耗设计,取得了良好的效果。该机使用一颗3V钮扣式锂电池,开机时工作电池小于4mA,瞬间最大工作电流小于20mA,瞬间最大工作电流小于20mA,关机电流小于2μA。一颗电池可以使用较长的时间,达到满意的设计指标。
  
  一、低电压低功耗设计理论
  
  在一个器件中,功耗通常用电流消耗来表示。下式表明消耗的电池与器件特性之间的关系:
  
  Icc=C∫Vda≈ΔV·C·f(1)
  
  式中:Icc是器件消耗的电流;Δ是电压变化的幅值;C是器件电容和输出容性负载的大小;f是器件运行频率。
  
  从公式(1)可以得到降低系统功耗的理论依据。将器件供电电压从5V降低3V,可以至少降低40%的功耗。降低器件的工作频率,也能成比例地降低功耗。
  
  80C51的器件电流包括两部分:核心电流和I/O电流,即:
  
  Icc=ICORE+II/O(2)
  
  核心电流是内部晶体管开关和内部电容充放电所消耗的电流,占有器件电流的较大比例。
  
  ICORE=Vcc·CEQ·f(3)
  
  式中:Vcc是器件工作电压;CEQ是内部结点和走线的电容,它是器件的固有属性,可由式(3)在一定的电流、电压和频率测试值下计算出来;f是核心工作频率。
  
  I/O电流主要是地址/数据总线、RD、WR和ALE信号消耗的电流,在器件电流中占的比例较小,其数值有以下经验公式:
  
  II/O=IREAD·(0.8)+IWRITE·(0.2)+ICONTROL(4)
  
  IRE

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