微型化与低功耗设计技术.ppt

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1、第四章第四章 微型化与低功耗设计技术微型化与低功耗设计技术n传统医学仪器的便携式设计已成为现代医学传统医学仪器的便携式设计已成为现代医学仪器发展的重要趋势。仪器发展的重要趋势。n微型化和低功耗设计是核心技术。微型化和低功耗设计是核心技术。n相关技术的发展为其提供了有力的支持。相关技术的发展为其提供了有力的支持。第一节第一节 概概 述述电子元器件集成度越来越高电子元器件集成度越来越高n摩尔定律：集成电路芯片的集成度每年提高2倍。n数字、模拟混合集成技术的发展，单片计算机已在增强CPU功能的基础上，将许多复杂的外围器件功能集于一身。电子元器件封装工艺的不断革新电子元器件封装工艺的不断革新n表面安装

2、技术(SMT)取代穿孔式安装(THT)。n表面安装元件(SMC)。n表面安装器件(SMD)。大量以低功耗为目标的电子元器件问世大量以低功耗为目标的电子元器件问世n以MSP430为代表的微处理器可工作在uA级电流。n以3V供电的反射式图形液晶显示器(LCD)模块耗电不到1mA。ASIC技术的发展技术的发展n现场可编程逻辑器件(FPLD)。nPAL(可编程阵列逻辑)和GAL(通用阵列逻辑)。nFPGA(现场可编程门阵列)和CPLD(复杂可编程逻辑器件)。新兴技术的影响新兴技术的影响n硅微加工技术n在硅材料上进行微米级水平的三维加工技术，包含模拟、数字电路和执行装置的微机电系统(MEMS)。n可用于

3、人体姿态监测的加速度传感器，在3mmX3mm的芯片上加工出机械结构，同时还有放大、信号处理和自校正电路。n纳米技术n在10-9m的尺度内对原子、分子加工的技术。n“纳米世界”表现出既不同于单个原子、分子，也不同于我们所熟悉的大物质的性质。n美国波士顿大学研制成功的分子马达仅由78个原子组成，若能配上相应尺度的“刀具”和控制装置，可实现对大分子的加工。第二节第二节 便携式医学仪器设计的基本特点便携式医学仪器设计的基本特点n单片机的多功能发展，集成了越来越多的外围电路单片机的多功能发展，集成了越来越多的外围电路的功能。的功能。A/D、D/A(PWM)、LCD驱动、驱动、RAM、ROM(EPROM、

4、FLASH)等。等。n通讯一般采用线数最少的串行方式，低速用通讯一般采用线数最少的串行方式，低速用RS-232，高速用，高速用USB，近距离无线通讯采用红外通讯，近距离无线通讯采用红外通讯(IrDA)和宽带无线技术。和宽带无线技术。n一般不配打印机，显示器大多采用低功耗的段式或一般不配打印机，显示器大多采用低功耗的段式或点阵图形液晶显示器。点阵图形液晶显示器。1.系统设计高度集约化系统设计高度集约化2.选用合适的供电电压和运行速度选用合适的供电电压和运行速度C为电路中的分布电容和开关型IC器件的极间电容；V为供电电压；f为工作频率。3.电路设计全面采用电路设计全面采用CMOS集成电路集成电路n

5、除个别特殊的功率驱动电路外，尽可能采用除个别特殊的功率驱动电路外，尽可能采用CMOS电路电路。nCMOS电路的优点电路的优点n微功耗（静态功耗几乎为微功耗（静态功耗几乎为0）n输出逻辑电平摆幅大，工作电压范围宽，抗干扰能力强输出逻辑电平摆幅大，工作电压范围宽，抗干扰能力强n工作温度范围较宽。工作温度范围较宽。nHCMOS电路速度已完全可以和电路速度已完全可以和TTL电路兼容。电路兼容。4.中央处理器参与低功耗管理中央处理器参与低功耗管理5.全面采用表面安装器件全面采用表面安装器件n除个别特殊的大功率器件外，包括单片机在内的所除个别特殊的大功率器件外，包括单片机在内的所有有IC都有相应的都有相应

6、的SMT器件器件。n基础元器件（电阻、电容、电感、变压器、热敏电基础元器件（电阻、电容、电感、变压器、热敏电阻等）均有都有相应的阻等）均有都有相应的SMT器件。器件。nSMT器件与器件与THT器件相比，尺寸大幅度减小。器件相比，尺寸大幅度减小。n电阻、电容体积仅有直插器件的电阻、电容体积仅有直插器件的1/10。nIC的引脚中心距已由缩小到。的引脚中心距已由缩小到。第三节第三节 微型化与低功耗设计微型化与低功耗设计nCMOS数字集数字集成电路的静态成电路的静态功耗几乎为功耗几乎为0。n如接法合适，如接法合适，可降低到可降低到uA级级1.CMOS集成电集成电路与低功耗设计路与低功耗设计n发生在逻辑

7、状态转换的发生在逻辑状态转换的瞬间，由两个分量构成瞬间，由两个分量构成。n跳变时两个场效应管同跳变时两个场效应管同时导通所引起的尖峰电时导通所引起的尖峰电流。与转换时间有关。流。与转换时间有关。n逻辑门节点电容的充电逻辑门节点电容的充电电流。等于面积与重复电流。等于面积与重复频率的乘积。频率的乘积。CMOS数字集成电路的动态功耗数字集成电路的动态功耗R是能耗状态转换动作几率，指一个周期内做能耗状态是能耗状态转换动作几率，指一个周期内做能耗状态所用时间与时钟周期之比。与电路结构、逻辑功能、所用时间与时钟周期之比。与电路结构、逻辑功能、输入数据的状态组合及初始状态均有关系输入数据的状态组合及初始状

8、态均有关系换时间有关。换时间有关。C是负载电容是负载电容CMOS数字集成电路动态功耗的低功耗设计数字集成电路动态功耗的低功耗设计降低动态功耗的主要途径降低动态功耗的主要途径n降低工作电压降低工作电压n减少负载电容减少负载电容n降低工作频率降低工作频率n降低耗能状态转换活动几率降低耗能状态转换活动几率CMOS数字集成电路应用注意事项数字集成电路应用注意事项n未用引脚的处理。未用引脚的处理。如悬空将引起如悬空将引起n功耗增加功耗增加n严重时会损坏器件严重时会损坏器件 不能悬空！不能悬空！n输入信号幅度输入信号幅度 应保持在供电电压范围之内，否则可能损坏电应保持在供电电压范围之内，否则可能损坏电路路

9、n输出能力输出能力CMOS电路驱动能力表电路驱动能力表2.单片机的单片机的低功耗设计低功耗设计C为输入电容和连线电容的总和，典型输入为输入电容和连线电容的总和，典型输入电容为电容为10pF。时钟频率时钟频率高速内核高速内核n外围电路的集成化外围电路的集成化n内部程序存储器内部程序存储器n内部数据存储器内部数据存储器时钟源管理时钟源管理n片内环形振荡器可降低功耗n改善停机模式n空闲模式n突发工作模式3.存储器的存储器的低功耗设计低功耗设计nHCMOS存储器存储器功耗表存储器功耗表维持工作方式维持工作方式nEPROM维持工作方式维持工作方式nRAM和和EEPROM的维持工作方式的维持工作方式nFL

10、ASH维持工作方式维持工作方式nAMD的的Am29L400B，通过软件设置，可，通过软件设置，可使其在非读写擦除状态时处于休眠维持状使其在非读写擦除状态时处于休眠维持状态，读电流态，读电流7mA，编程，编程/擦除电流擦除电流15mA，休眠电流休眠电流200nA。FLASH应用设计实例应用设计实例nIntel公司的DA28F320J5是32Mbit闪速存储器。n支持14种操作指令，每项操作均要通过相应的命令实现4.电源的电源的低功耗设计低功耗设计n电源的分类电源的分类n线性稳压电源。低压差线性稳压电源。低压差(LDO)的新型线性稳压的新型线性稳压器，一般输出器，一般输出100mA时，压差时，压差

11、100mV。n开关稳压电源。开关稳压电源。DC/DC变换器，生压型用于变换器，生压型用于1A时。电压反转式可时。电压反转式可以获得负压。以获得负压。n电荷泵电源。输出是输入的负压或两倍的输电荷泵电源。输出是输入的负压或两倍的输入电压入电压。n早期的电荷泵变换器是以早期的电荷泵变换器是以ICL7600为基为基础，其缺点是：输出电流小、输出电阻大、础，其缺点是：输出电流小、输出电阻大、振荡频率低、外接电容容量大、静态电流振荡频率低、外接电容容量大、静态电流大大(170uA)。n新型产品如新型产品如MAX1673的静态电流仅为的静态电流仅为35uA，MAX662A在关闭状态时耗电在关闭状态时耗电1u

12、A。便携式仪器的电源便携式仪器的电源设计设计n输出电流大时应采用降压输出电流大时应采用降压DC/DCn输出电流小时应采用升压输出电流小时应采用升压DC/DCn工作电流的最大值为工作电流的最大值为IC最大输出电流的最大输出电流的70%90%较为合适。较为合适。n采用采用LDO的最佳条件的最佳条件n要求输出电压纹波、噪声特别小要求输出电压纹波、噪声特别小n输入输出电压差不大输入输出电压差不大n输出电流不大于输出电流不大于100mAn需负电源时尽量采用电荷泵需负电源时尽量采用电荷泵n要求噪声小或输出稳压时，可采用带要求噪声小或输出稳压时，可采用带LDO线线性稳压的电荷泵性稳压的电荷泵IC。n如如MA

13、X1680输出电流输出电流125mA，仅需外接两，仅需外接两个个1uF电容，输出阻抗电容，输出阻抗。nMAX868，输出电压可调，外接两个，输出电压可调，外接两个电容，电容，消耗消耗35uA电源电流，可输出电源电流，可输出30mA稳压电流，稳压电流，小尺寸小尺寸uMax封装。封装。nDC/DC变换器中电感、电容及续流二极变换器中电感、电容及续流二极管的选择管的选择n电感要满足在开关电流峰值时不饱和电感要满足在开关电流峰值时不饱和(开关峰开关峰值电流要大于输出电流的值电流要大于输出电流的34倍倍)，并要选择，并要选择合适的磁芯以满足开关频率的要求。合适的磁芯以满足开关频率的要求。n电容应选择等效

14、串联电阻小、相应速度快的电容应选择等效串联电阻小、相应速度快的胆电容，可降低输出纹波电压胆电容，可降低输出纹波电压n二极管必须采用肖特基二极管，其额定值应二极管必须采用肖特基二极管，其额定值应大于大于DC/DC的峰值电流。的峰值电流。MAX669DC/DC变换器效率曲线LDO纹波抑制曲线LDO纹波抑制曲线参数选择稳定性200hz正弦波,无电源干扰200hz正弦波,2Khz、占空比1%、10mv方波电源干扰5.液晶显示技术液晶显示技术n液晶是一种介于固体与液体之间，液晶是一种介于固体与液体之间，具有规则性分子排列的有机化合物。具有规则性分子排列的有机化合物。n在不同电流电场作用下，液晶分子在不同

15、电流电场作用下，液晶分子会做规则的旋转会做规则的旋转90度排列，产生透度排列，产生透光度的差别。光度的差别。液晶显示方式液晶显示方式n被动方式（反射式）：本身不发光而只是调制环境光，因此，显示时需要一定的光源。n主动方式：由场效应管驱动反射式液晶的工作特点反射式液晶的工作特点n工作电压低（36V）；功耗极小（1880uW/平方厘米)。n体积小，为平板式显示。n显示时间和余辉时间较长，速度较慢。n在黑暗环境中不能显示，需采用辅助光源。n无电磁辐射。液晶分类液晶分类n根据显示材料构造，可分为TN、STN、TFT。n根据技术原理可分为TN、STN、FSTN、DSTN、TFT。nTN：扭曲向列型。nS

16、TN：超扭曲向列型。nFSTN：薄层超扭曲向列型。nDSTN：双超扭曲向列型。nTFT：薄片式晶体管型。液晶显示模块液晶显示模块n将液晶显示器件、连接件、集成电将液晶显示器件、连接件、集成电路、路、PCB电路板、背光源、结构件电路板、背光源、结构件装配在一起的组件。装配在一起的组件。n可分为数显液晶模块、液晶点阵字可分为数显液晶模块、液晶点阵字符模块和液晶点阵图形模块。符模块和液晶点阵图形模块。数显液晶模块数显液晶模块n记数模块记数模块n计量模块计量模块n计时模块计时模块点阵图形液晶模块点阵图形液晶模块n行、列驱动型行、列驱动型n直接驱动型直接驱动型n行、列控制型行、列控制型点阵图形液晶应用设

17、计实例点阵图形液晶应用设计实例 EG7564C_RS是一种高性能反射式是一种高性能反射式320X200黑白点阵液晶，具有体积黑白点阵液晶，具有体积小、分辨率高、超低功耗小、分辨率高、超低功耗(1mA)等特等特点，并且是单电源供电，共有点，并且是单电源供电，共有18个个引脚。引脚。6.表面安装技术表面安装技术nSMT的主要优点的主要优点：nPCB无需钻孔，与无需钻孔，与THT比较，组装速度快，组装密比较，组装速度快，组装密度提高度提高50%（采用双面和多层板可大幅度缩小）。（采用双面和多层板可大幅度缩小）。n是片式结构，无外引线，缩短了信号传输延迟时间，是片式结构，无外引线，缩短了信号传输延迟时

18、间，有利于提高电路的高频性能。有利于提高电路的高频性能。n耐振动，可靠性高。耐振动，可靠性高。n易于实现组装自动化，降低加工成本。易于实现组装自动化，降低加工成本。THT与与SMT特征尺寸的比较特征尺寸的比较7.电路集成设计电路集成设计n可编程逻辑器件(PLD)。nPAL(可编程阵列逻辑)和GAL(通用阵列逻辑)。nFPGA(现场可编程门阵列)和CPLD(复杂可编程逻辑器件)。可编程逻辑器件可编程逻辑器件(PLD)n由一个“与”门和一个“或”门阵列组成。n任何一个组合逻辑都可以用“与或”表达式描述。能完成各种数字逻辑功能n能完成各种数字逻辑功能。PAL(可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑)n由一个可

19、编程的“与”平面和一个固定的“或”平面组成。n或门的输出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。n现场可编程，实现工艺有反熔丝技术、EPROM技术和EEPROM技术。GAL(通用通用阵列逻辑阵列逻辑)n在PAL的基础上发展起来。n输出结构是可编程的宏单元。n现场可编程，实现了电可擦除和改写。FPGA(现场可编程门阵列现场可编程门阵列)和和CPLD(复杂可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件)n在在PAL、GAL的基础上发展起来。的基础上发展起来。n可以代替几十甚至几千块通用可以代替几十甚至几千块通用IC芯片。芯片。n比较典型的是比较典型的是Xilinx公司的公司的FPGA器件系器件系列和列和Alter

20、a公司的公司的CPLD器件系列。器件系列。FPGA和和CPLD的优点的优点n其基本逻辑门数可大上百万门。其基本逻辑门数可大上百万门。n出厂前已做过百分之百的测试，不需设出厂前已做过百分之百的测试，不需设计人员承担投片风险和费用。计人员承担投片风险和费用。n用户可反复编程、擦除、使用。用户可反复编程、擦除、使用。n在外围电路不动的情况下用不同软件实在外围电路不动的情况下用不同软件实现不同功能。现不同功能。便携式医学仪器设计实例便携式医学仪器设计实例设计目的设计目的n专为快速诊断、监护的心电图机。专为快速诊断、监护的心电图机。n集主机、显示器、电极导联于一体，体积仅如集主机、显示器、电极导联于一体，体积仅如手掌般大小。手掌般大小。n超低功耗，无需外接电源。超低功耗，无需外接电源。n只要将仪器背面与人体胸部接触，便可立即自只要将仪器背面与人体胸部接触，便可立即自动显示动显示ECG。