C8051F000C8051F001C8051F002C8051F005C8051F006C8051F010C8051F011C8051F012C8051F015C8051F016C8051F017本應用筆記討論電源管理技術及計算C8051F00x和C8051F01xSoC中的功率消耗的方法很多應用系統(tǒng)對功耗有嚴格的要求也存在幾種不以犧牲性能為代價的降低功耗的方法計算預計功耗C8051F的SoCCMOS數字邏輯器件的功耗受供電電壓和系統(tǒng)時鐘SYSCLK頻率的影響可以通過調整這些參數來降低功耗設計者也很容易控制這些參數本節(jié)討論這些參數及它們對功率消耗的影響在CMOS數字邏輯器件中功耗與系統(tǒng)時鐘 頻率成正其中C是CMOS的負載電容V是電源電壓f是SYSCLK方程1.CMOSC8051Fxxx系列器件的系統(tǒng)時鐘可以來自內部振蕩器或一個外部時鐘源外部源可以是一個CMOS時鐘RC電路電容或晶體振蕩器有關振蕩器配置方面的信息見應用筆記AN002–配置內部和外部振蕩器內部振蕩器可提供四個時鐘頻率248和16MHz很多不同的頻率可以通過使用外部振蕩器得到為了節(jié)省功耗設計者必須知道給定應用所需要的最高SYSCLK頻率和精度一個設計可能需要一個在器件全部工作時間內保持不變的SYSCLK頻率在這種情況下某些操作可能要求高速度但只是在很短的斷續(xù)的時間間隔內這種情況在某些時候被稱為猝發(fā)操 在C8051Fxxx中SYSCLK頻率可在任何時刻改變因此器件平時可工作在較低頻率 1內部振蕩器/外部晶體配置 2外部晶體/RC振蕩器配置如果器件偶爾進行高速數據轉換并使用一個實時時鐘為數據提供時間戳則一個內部振蕩器和外部晶體的組合將是最理想的在采樣操作期間應使用高速內部振蕩器采樣結束后使用一個外部32kHz晶體以維持實時時鐘一旦重新需要高速操作器件將切換到內部振蕩器見圖1在應用筆記AN008–實現一個實時時鐘中給出了這種操作過程的一個例子CC圖1.晶體振蕩器和內部振蕩器可以同時工作每一個都可以根據需要被選為系統(tǒng)時鐘源為了減小電源電流在使用內部振蕩器時可停止晶體振蕩器在這種情況下當從內部切換到外部振蕩器時設計者必須考慮切換系統(tǒng)時鐘源時的起動延遲C8051F0xx器件有一個指示外部時鐘信號有效的標志位OSCXCN寄存器中的XTLVLD位該標志在外部振蕩器穩(wěn)定運行時置位在切換到外部振蕩器之前應查詢該標志注意 在外部晶體起動期間其它操作可繼續(xù)使用內部振蕩器某些應用需要間歇的高速度和高精度例如ADC采樣和數據處理但在其它時間可允許低速度和低精度例如等待采樣時這時可以用到外部振蕩器和RC電路的組合在這種情況下外部RC振蕩器用于產生低頻SYSCLK源而晶體用于高頻率操作 才能工作由于在晶體處于工作狀態(tài)時這種連接可能加載晶體振蕩器電路我們將RC電路接到一個通用端口引腳見圖2當使用RC電路時與之連接的端口引腳被驅動到高電平到VDD這可以通過選擇端口為推挽輸出方式并向端口鎖存器寫1 來實現當使用晶體振蕩器時端口引腳被置于高阻 狀態(tài)這是通過設置端口為漏極開路輸出方式并向端口鎖存器寫1來實現的注意RC電路可以利用晶體振蕩器電路中已有的電容RC將作為RC電路電源的端口引腳設置為漏極開路并向該端口引腳寫 高阻狀態(tài)起動晶體設置XFCN位等待查詢外部晶體有效位XTLVLD1’關閉晶體振蕩器清除XFCN位驅動電源端口引腳到高電平到VDD 通過選擇端口為推挽輸出方式并向端口鎖存器寫1 CC圖2.外部RCCMOS邏輯電路中的電流與電源電壓成正比CMOS邏輯電路的功耗與電源電壓的平方成正比見方程1因此降低器件的供電電壓可以減小功耗C8051Fxxx系列器件所要求的電源電壓 為了減小功 CIP51C8051處理器有兩種電源管理方式在等待方式下CPU和FLASH中斷被允許的中斷產生或發(fā)生系統(tǒng)復位時CPU退出等待方式可通過將等待方式選擇位 設置 當等待方式選擇位被置1 時一旦設置該位的那條指令執(zhí)行完CPU立即進入等待狀態(tài)有中斷發(fā)生后等待方式選擇位將被清除CPU將轉入中斷服務程序從中斷返回后RETI 將進入設置等待方式選擇位那條指令的下一條指令如果在等待方式下有復位條件產生將產生正常的復位過程CPU將從存儲器地址0x0000開始執(zhí)行程序例如CPU2溢出后啟動一次A/D轉換一旦轉換過程結束ADC轉換結束中斷將CPU從等待狀態(tài)喚醒開始處理采樣值在樣本處理過程結束后CPU又重新被置于等待方式以節(jié)省功耗同時等待下一次中斷另一個例子CPU平時處于等待方式以節(jié)省功耗在需要時用一個外部中斷信號將其喚醒在收到外部中斷時CPU將退出等待方式并轉到相應的中斷服務向量例如/INT0或/INT1C8051的停機方式用于停止CPU必須用軟件將所有的模擬外設關閉只有內部或外部復位可以使處理器退出停機方式實際上停機注意時鐘丟失檢測器會產生一個內部復位如果被允許這個內部復位將結束停機方式因此如果要使CPU處于停機狀態(tài)的時間大于時鐘丟失檢測器的超時時間100s 通過將停機方式選擇位置1使C8051處理器處于停機方式在復位時CPU完成正常的復位過程并從0x0000地址開始執(zhí)行程序任何有效的復位源都可以使CPU退出停機方式能使CPU退出停機方式的復位源是外部復位/RST時鐘丟失檢測器比較器0外部ADC轉換啟動信號/CNVSTR例如CPU較器0復位信號將其喚醒一般來說一個低功耗的設計應采用最低的電源電壓最低的SYSCLK頻率并盡可能地使用電源管理方式以最大限度地節(jié)省功耗這些條件中的大多數都可以用軟件實現或控制C8051F00x和C8051F01x系列器件中消耗功率的兩大部件是模擬部件和數字部SYSCLKSYSCLK頻率的不同而有較大的變化模擬部件和數字部件的功耗加在一起構成器件的總功耗本應用筆記中所介紹的器件消耗電流的計算方法適用于C8051F00x和C8051F01xF000 系列器字部件在三種示例頻率下和模擬部件兩部分所給出的模擬電流值是所有模擬外設都工作時的數值每個模擬外設的供電電流可以在數據手冊中與外設相關的章節(jié)中查到為方便起見將C8051F00x和C8051F01x的總體直流電氣特性列于下表 V內部 12內部 6之差|VDD-VVVDD=2.7V;CLK=等待方式9停機方式5V除了使用較低的SYSCLK頻率之外設計者還可以通過合理地選擇時鐘源達到減小功耗的目的內部振蕩器消耗數字電源電流的典型值為200A用于驅動外部振蕩器的電流是變化的對于一個外部振蕩源例如一個晶體驅動電流由模擬電源提供用軟件通過配置外部振蕩器控制寄存 OSCXCN的XFCN位來設置在驅動電流較大時用戶可以使用內部振蕩器以節(jié)省功耗但是在最低的XFCN設置下外部振蕩器使用不到1A的電流小于內部振蕩器所使用的電流下面列出了幾個典型測量電流值這些測量值對于不同的器件可能不一樣驅動電平應保持最低以節(jié)省功耗但又應足夠高以使外部振蕩器能夠起振下表列出了電流與外部振蕩器頻率控制位設置的關系電 對于粗略的計算一個經驗公式是假設1mA/MHz的工作電流+1mA如果模擬部件ADC比較器DACVREF等被允許這個經驗公式假定使用3.6V的電源電壓較低的電源電壓將使功耗降低在2.7V經驗公式為0.5mA/MHz在正常方式下表列出了用于估算電源電流的經驗數據數字電流消耗典型值0.51.00.330.65每個模擬外設的供電電流值都在數據表中關于這個外設的部分給出通常在該部分的最后建議禁止所有不用的外設部件以降低功耗為方便起見將C8051F00x和C8051F01x模擬外設的供電典型電流 總處于允許狀態(tài)

當所需要的SYSCLK頻率電源電壓及外設部件都已經確定后可以估算總的電源電流所使用的模擬外設電流將每個被允許的模擬外設的電流加在一起加上所使用的數字電流在給定頻率電源方式和電源電壓下計算就得到總的電源電流如果所有的模擬外設都被允許則所用模擬電下面是電源電流計算的幾個例子每個應用在不同的時間可以使用不同的電源方式SYSCLK頻率和外設部件因此功率管理指標需要幾種不同的電源電流計算數字部件和模擬部件所使用的電流分別計算然后加到一起得到總電流在一個VDD=3.6V的系統(tǒng)中使用C8051F000器件ADC對一個參數采樣將樣本處理后經DAC輸出由于在該應用中需要進行采樣和處理選擇內部振蕩器提供16MHz的SYSCLK頻率供電電流 一個16MHz1mA/MHz*16MHz=16mA825 模 +16 數 =16.8假設我們仍然估算例1中同一個應用的電源電流如果采樣處理是一個猝發(fā)操作即間歇性地需要采樣和轉換我們可以選擇平時將CIP-51置于等待方式經過一個規(guī)定的時間間隔后再用一用于采樣和數據轉換和等待方式在兩個采樣處理操作之間之間切換在正常方式和等待方式之間切換的周期等于采樣速率見圖3這就允許我們在計算了等待方式的電源電流之后計算平VDD15在等待方 工作頻率為160.65mA/MHz*16MHz=10.450 模 +10.4 數 =10.4注意我們已經計算了等待方式下的電源電流和正常方式下的電源電流在例1中我們還必須計算在每種方式下所消耗的時間以計算所用器件的平均電流假設ADC工作在低功耗跟蹤方式使用最大的2MHzSAR轉換時鐘ADC設置為SAR 圖3中的電源周期為 采樣速 =100處在正常方式下的時間是ADC跟蹤/轉換時間和將樣本保存到存儲器的時間在低功耗跟蹤方式需要3個SAR時鐘用于跟蹤和16個SAR時鐘用于轉換這19個SAR時鐘在頻率為2MHz時需要9.5s存儲采樣值需要兩個系統(tǒng)時鐘周期即0.125s為了進入正常方式要執(zhí)行一條mov指令需三個SYSCLK0.188s9.5s+0.125s+0.188s9.8因為ADC的采樣周期是100s 所以在電源周期中等待方式所占的時間為100s–9.8s 常方式下的時間=90.2s對圖3曲線下方的區(qū)域在一個周期100s內積分然后除以周期值得到平均電源電流為11mA圖3.如果在器件處于等待方式在例2中時使用一個外部振蕩器使振蕩器的頻率降低到32kHz可以進一步降低功耗這時所用的電流是將外部振蕩器控制位設置為XFCN= 這樣將使用0.6A的模擬電(0.65mA*0.032MHz)+0.6A=21這與例2中16MHz繼續(xù)進行例26個附加的SYSCLK得到的平均電流為1.7mA在這個應用中用C8051F000的ADC對一個參數采樣并將采樣值保存到存儲器中需要對采樣精確定時為了滿足更精確的定時要求SYSCLK由一個外部18.432MHz晶體振蕩器提供為了節(jié)省功耗設計者決定使用3.0V的電源電壓定時器2用于對ADC采樣間隔定時供電電 在正常方