【導讀】單片機設計中很多外圍硬件集成到CPU芯片中，但是卻無形中增大了硬件冗余，加大了功耗。本文主要針對單片機低功耗低電壓設計技術以及相應的注意事項。
1 單片機的低功耗設計技術
1.1 高集成度的完全單片化設計
將很多外圍硬件集成到了CPU芯片中，增大硬件冗余。內部以低功耗、低電壓的原則設計，這給單片機的低功耗設計提供了很強的支持。
1.2 內部電路可選擇性工作
通過特殊功能寄存器選擇使用不同的功能電路，即依靠軟件選擇其中不同的硬件;對于不使用的功能使其停止工作，以減少無效功耗。
1.3 寬電源電壓范圍
先進的單片機芯片工藝特別決定了單片機在很寬的電源電壓范圍內部能正常工作。例如，NEC公司的 78K0和78K0S系列的單片機，可以在 1.8V～5.5V電源電壓范圍內正常工作。單片機供電電壓范圍的放寬，可以進一步拓寬單片機的應用領域，尤其是便攜式或掌上型儀器或裝置，可以放心地使用電池作為電源，而不必關心電過程電壓曲線是否平衡、是否會影響單片機正常工作，更不必因電池供電而專門增加穩壓電路，從而可減少大約1/3的功率消耗。
1.4 具有高速和低速兩套時鐘
系統運行頻率越高，電源功耗就會相應增大。為更好地降低功耗，內部集成了兩套獨立的時鐘系統，高速的主時鐘和32.768kHz的副時鐘。也可在滿足功能需要的情況下按一定比例降低CPU主時鐘頻率，以降低電源功耗。在不需要高速運行的情況下，可選用副時鐘低速運行，進一步降低功耗。通過軟件對特殊功能寄存器賦值可改變CPU的時鐘頻率，或進行主時鐘和副時鐘切換。
1.5 在線改變CPU的工作頻率
可根據CPU處理任務的不同，在外部振蕩器不變的情況下，通過程序改變處理器時鐘控制寄存器PCC的值，在線改變CPU的頻率。CPU在幾種不同頻率下工作的電源功耗比較如圖1所示。
1.6 后備功能
后備功能是為了進一步降低系統功耗。CPU用主時鐘時有HALT(待機)模式和STOP(休眠)模式，用副系統時鐘時有副時鐘運行模式和HALT模式。如表1所示。
1.7 內部鐘表定時器
NCE 單片機內部提供了時鐘定時器，每隔0.5s產生一次中斷。在系統處于休眠狀態時，仍可定時被喚醒。對于單片機只須間歇工作、但又需要實時計時功能的應用場合，提供了非常有效的節能方法。CPU在不工作時可進入STOP模式或HALT模式，進入低功耗的后備功能狀態。當時鐘中斷到來時，CPU回到正常工作狀態，進入時鐘中斷處理程序做時鐘更新處理，然后再進入后備功能狀態。
2 單片機應用系統中的低功耗設計主要注意的問題
(1)系統中單片機以外的其它電路器件盡可能選用靜態功耗低的器件，如選用CMOS電路芯片。
(2)外部設備的選擇也要盡可能支持低功耗設計。
(3)設計外部中斷喚醒電路，使單片機在等待時可進入休眠模式或待機模式，需要時由外部中斷信號喚醒。
(4)設計外部器件的電源控制電路，使外部器件或設備在不工作時關斷供電，減少無效功耗。
(5)設計充分利用系統低功耗特點的軟件。
3 在線改變CPU的時鐘頻率以降低功力量的C語言程序舉例
CPU在不需要高速運行時，可設置在較低的時鐘頻率下工作，在運行過程中可根據需要在線改變CPU的時鐘頻率。下面是一個通過按鍵產生外部中斷信號改變NCE單片機μPD780058的CPU時鐘頻率的程序，它使CPU在主、副時鐘切換運行。通過I/O口P6的位0引腳連接1個LED小燈，每按下一次按鍵就使CPU的時鐘頻率改變。在主時鐘和副時鐘頻率下工作時，用同樣的軟件延時程序控制小燈點亮的時間，以此觀察CPU的運行速度。
低功耗單片機的應用使電子產品、控制系統更符合當今時鐘的要求，達到便攜、低功耗和高可靠性。加之用高級語言(如C語言)對單片機進行開發的工具日臻完善。更為快速高效的開發應用提供了良好的條件和環境。低功耗的節能單片機應用系統將會帶來很好的社會效益和經濟效益。
相關閱讀：
深度剖析：業界七大主流單片機
技術總結：單片機硬件設計經驗之談（二）
有關單片機功耗分類及相關計算方法介紹
