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　　引言

　　近幾年來，隨著電子技術、信息技術的發展和數字化產品的普及，嵌入式系統被廣泛應用到汽車工業、網絡、手持通信設備、國防軍事、消費電子和自動化控制等各個領域。同時，嵌入式系統設計中的功耗問題也正受到普遍的關注。嵌入式系統一般是由電池來供電的，系統采用低功耗設計，不僅能夠延長電池的壽命，而且可以降低系統的熱耗，對提高可靠性與穩定性有著重要意義。在這種應用背景下，Infineon、Freescale、Atmel、TI等知名單片機生產廠家紛紛推出功能強大的低功耗單片機。

　　1 單片機功耗的來源

　　單片機是一種集成度較高的芯片。通常，集成電路的功耗分為靜態功耗和動態功耗2部分。靜態是指“0”和“1”的恒定狀態，當電路沒有狀態翻轉時產生的功耗為靜態功耗;動態是指“0”和“1“的跳變狀態，當電路狀態翻轉時產生的功耗為動態功耗。

　　目前絕大多數的單片機都采用CMOS工藝。CMOS電路為電壓控制型，一般情況下靜態功耗極小。它的動態功耗由瞬時導通功耗和電容充放電功耗2部分組成。在單片機運行時，開關電路不斷地由“1”變“0”，由“0”變“1”，內部電容不停地充放電，要實現開關電路快速關斷和電容的快速充放電，需要比較大的動態電流[3]。因此CMOS的動態功耗要遠大于靜態功耗，是單片機功耗的主要來源。動態功耗主要受工作頻率和工作電壓的影響。

　　通過對單片機功耗來源的分析，可得出結論：要降低單片機系統的功耗，可以采取降低工作頻率、降低工作電壓和盡可能使電路處于靜態的方法。事實上，現有的低功耗單片機也都提供了靈活的時鐘方案、電源管理方案，以及低功耗工作模式，在硬件上為降低工作頻率、降低工作電壓和使電路處于靜態工作狀態提供了可能。

　　2 TLE7810簡介

　　TLE7810是Infineon公司推出的一款高集成度低成本智能功率芯片，主要應用于汽車工業。其功能模塊圖如圖1所示。它集成了1個支持片上調試功能并且與標準8051單片機兼容的8位微控制器XC866，以及1個SBC(System Basis Chip，系統基礎芯片)。這樣的結構設計可以滿足汽車工業盡乎苛刻的應用條件。同其他廠家的微控制器類似，Infineon XC866也提供了靈活的時鐘方案、電源管理方案和低功耗工作模式，本文對這些功能就不再多做介紹，而是著重介紹TLE7810特有的SBC的低功耗設計方案。

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　　圖1 TLE7810功能模塊圖

　　從圖1中可以看出，SBC配備1個LIN收發器、1個低壓差電壓調節器、2個用于驅動繼電器的低邊開關、1個用于驅動LED的高邊開關、1個霍爾傳感器電源、5個喚醒輸入，以及1個標準的16位SPI(Serial Peripheral Interface，串行外設接口)接口等。通過SPI接口，XC866可以發送1個16位的命令來控制SBC的運行， SBC同時向XC866回復1個16位的數據，指示SBC當前的運行狀態。

　　3 SBC的低功耗設計方案

　　3.1 SBC集成的外設

　　SBC不僅將多個外設集成到1個芯片內部，而且可以通過SPI接口控制這些外設的打開與關閉，根據實際應用情況，可以靈活地控制這些外設，以達到降低功耗的目的。

　　① LIN收發器。可以通過SPI命令將SBC的工作模式設置成“LIN Sleep”模式。在這個工作模式下，LIN收發器的內部上拉電阻被關掉，以此來禁用LIN收發器，這樣就能夠減小一部分電流消耗。禁用的LIN收發器可以隨時通過主節點或其他從節點的LIN消息來激活。

　　② 低壓差電壓調節器。可以通過SPI命令將SBC的工作模式設置成“Sleep”模式。在這個工作模式下，該電壓調節器被關閉，以停止對微控制器供電，從而使系統進入休眠狀態，將功耗降到最小。

　　③ 高邊開關。高邊開關可以直接驅動LED。在不需要使用LED的場合，可以直接通過SPI命令將該開關關閉。

　　④ 霍爾傳感器電源。該電源可以直接為霍爾傳感器供電，驅動霍爾傳感器正常工作，也可以為其他一些設備，比如運算放大器供電。在不需要使用霍爾傳感器的場合，可以直接通過SPI命令將該電源關閉。

　　3.2 SBC的省電模式與喚醒測試

　　SBC可以在多個工作模式下工作，根據實際應用情況，可以靈活地進行工作狀態的切換。SBC提供了2種省電模式，“Sleep”模式和“Stop”模式。工作在這2種模式下，可以極大地降低系統的功耗。

　　3.2.1 SBC Sleep Mode

　　可以通過直接修改SPI命令來進入該工作模式。在這個工作模式下，LIN收發器以及所有的內部開關都被關閉，同時內部的電壓調節器也被關閉，以停止對微控制供電。通過這種方式可以將系統的功耗降到最小。可以通過5個喚醒輸入引腳上的電平跳變或者LIN消息來退出該模式，將系統喚醒。被喚醒后，內部的電壓調節器將自動激活，微控制器將產生1個復位信號，將系統復位。圖2為“Sleep”模式的測試波形。其中，曲線1為喚醒輸入引腳MON4的波形，曲線2為復位引腳RESET的波形。在“Sleep”模式下，MON4引腳的輸入為12 V高電平，RESET引腳輸出0 V低電平。當MON4引腳的電平發生跳變，由高電平變為低電平后，RESET引腳產生1個5 V高電平的復位信號，將系統喚醒并復位。從圖中可以看出這段喚醒時間持續約9.5 ms。根據進一步的測量，在該模式下，系統的靜態電流約為9 mA。

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　　圖2 SBC Sleep Mode 測試波形

　　3.2.2 SBC Stop Mode

　　需要先將XC866的工作模式設置成省電模式，再修改SPI命令才能進入該工作模式。在這個工作模式下，LIN收發器以及所有的內部開關也都被關閉，但是并不關閉電壓調節器，而是用微弱的靜態電流對微控制器供電，微控制器同時停止執行指令。可以通過5個喚醒輸入引腳上的電平跳變或者LIN消息來退出該模式。圖3為“Stop”模式的測試波形。其中，曲線1為喚醒輸入引腳MON4的波形，曲線2為輸出引腳P0.5的波形。在“Stop”模式下，MON4引腳的輸入為12 V高電平，P0.5引腳輸出0 V低電平，當MON4引腳的電平發生跳變，由高電平變為低電平后，將系統喚醒，然后馬上讓P0.5引腳輸出5 V高電平。從圖中可以看出這段喚醒時間持續約265 μs。根據進一步的測量，在該模式下，系統的靜態電流約為30 mA。與“Sleep”模式相比較，該模式不僅能夠極大地降低系統功耗，同時因為沒有關閉微控制器，能夠更快地將系統喚醒，而且喚醒后不產生復位信號，直接從停止的指令位置繼續執行。

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　　圖3 SBC Stop Mode 測試波形

　　4 TLE7810低功耗方案的應用

　　TLE7810的一個具體應用是電動車窗控制器。基于TLE7810的電動車窗控制器的硬件結構框圖如圖4所示。其中，高邊開關(MON5引腳)為按鍵背光燈供電，霍爾傳感器電源(Supply引腳)同時為霍爾傳感器和運算放大器供電。

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　　圖4 電動車窗控制器硬件結構框圖

　　MON5引腳與Supply引腳的輸出電平由SPI命令直接控制。當控制車窗升降的4個按鍵(MON1~MON4)未按下時，通過SPI命令控制MON5引腳輸出低電平，按鍵背光燈滅;當有按鍵按下時，通過SPI命令控制MON5引腳輸出高電平，按鍵背光燈亮。當電機處于停止狀態時，通過SPI命令控制Supply引腳輸出低電平，關閉對霍爾傳感器與運算放大器的供電。霍爾傳感器是在電機運轉時測量電機的轉速與轉向的，運算放大器用來對電機電流進行采樣放大，因此在電機處于停止狀態時這兩個外設都沒必要工作，關閉對它們的供電在一定程度上可以降低功耗。

　　當后門側車窗在沒有收到任何由后車門按鍵發出的控制命令，也沒有收到任何由司機側車門通過LIN總線發出的命令時，可在延時一段時間后，直接通過SPI命令讓系統進入“Sleep”模式。車窗控制器在正常工作模式下，系統電流約150 mA，而在該模式下，TLE7810內部的電源模塊停止對所有負載供電，系統電流僅為9 mA，將控制器的功耗降到最小。休眠后，若司機側或者后門側按鍵重新發出命令，可將喚醒系統，進入正常工作狀態。

　　5 總結

　　本文分析了單片機功耗的來源，以Infineon TLE7810單片機為例，研究了TLE7810特有的SBC的低功耗設計方案，并結合具體電動車窗控制器的例子，簡單闡述了TLE7810低功耗設計方案的實際應用。在復雜的實際應用中，還需要綜合考慮系統硬件設計相應的軟件，結合具體的應用場合，選擇合適的低功耗設計方案，以達到降低系統功耗的目的。