海军工程大学 赵志宏 李小珉 陈冬

    引言

    在控制终端系统设计中，当系统要求整体功耗偏低时，c8051系列单片机是一个最佳的选择，它们拥有灵活的时钟硬件，使系统能够方便地在高效运作模式与低功耗模式间进行转换，智能的电源管理模式能够在正常工作及待机状态自由切换，从而降低整个系统的能量损耗，当工作频率低于10khz时，时钟丢失检测器（mcd）能够引发系统产生复位，确保系统工作的安全可靠。

    1 c8051f各部分组件的功耗

    当一个系统对功耗要求严格时，可以在硬件电路建立前首先粗略计算一下整个系统所需的功耗，由于c8051f系列单片机为数模混合soc系统，能够实现整个设计的大部分功能，因此整个设计系统的功耗将主要集中在c8015f系列单片机的能量消耗上。

    整个单片机系统的功耗应该由4部分组成，振荡器功耗、数字设备功耗、模拟外设功耗及i/o端口功耗，振荡器功耗包括内部振荡器的功耗以及外部振荡器功耗，数字设备能量消耗主要由cpu的工作模式，工作电压及系统时钟频率决定，温度与数字外围设备对数字设备的功耗影响很小，模拟外围设备功耗主要包含adc，电压基准vref、温度传感器、偏压发生器及内部振荡器，比较器也有少量的能量功耗。

    1.1 振荡器功耗分析

    外部振荡器具有很好的可配置性，为系统设计者提供了多种选择。时基信号可以从外部cmos电平时钟源、晶振或陶瓷谐振器、rc组合电路或外部电容获得，每一种方法都有各自的优势，由于振荡器可以灵巧地在各种方式中转换，因此可以通过改变振荡器来降低功耗，对外部振荡器来说，外部cmos时钟，电容和rc网络都能够提供较低的振荡频率。

    （1）外部cmos时钟

    当工作于外部振荡器cmos时钟模式时，外部振荡器驱动被关闭，电路功耗电流微小可以近似忽略，xtal2输出的时基信号可以用作cpu、计时器、pca或其他外围设备的时钟源，注意，即使在某一端口应用了高频信号，功耗仍只有少量的增加。

    （2）外部晶振

    外部晶振提供了最精确的时间基准，但随之而来的功耗在同一频率下也更高，外部晶振依赖于晶振频率和振荡器驱动电路（xfcn）。

    （3）外部电容c模式

    外部电容模式通过将一个电容连接到xtal2为系统提供低功耗时钟，这是精度最差的一种时基方式，但同时也是最灵活的一种方式，只用一个电容元件就可以提供8种不同的工作频率，最高频率几乎可达最低频率的3000倍，可以通过改变在oscxcn寄存器中的xfcn位改变其振荡的频率，并直接影响其输出的电流，外部电容方式下的时基精度主要由电容的误差和流过xtal2的内部电流源的精度决定。

    （4）外部振荡rc模式

    rc模式与电容模式十分相似，区别在于外部电容方式下电容的充电电流由接到xtal2的内部可编程电流源提供，并且在rc模式下充放电电路除了包含电容外还要通过一个外部电阻器。rc模式振荡电路的平均功耗由通过电阻器的平均电流所决定，电阻器上的压降成指数倍大小，其波形可以简化为三角波来估计平均值。

    通常，设计者可以通过合理地选择时钟源达到降低功耗的目的，内部振荡器消耗数字电源电流的典型值为200μa，用于驱动外部振荡器的电流是变化的，对于一个外部振荡源（如晶振），驱动电流（由模拟电源提供）用软件通过配置外部振荡器控制寄存器oscxcn的xfcn位来设置，在驱动电流较大时用户可以使用内部振荡器以降低功耗。

    1.2 数字设备的功耗分析

    数字设备的能量消耗主要是由cpu电流的大小来衡量的，cpu的电源模式是决定cpu电流大小、工作电压及系统时钟频率的关键因素，通常，温度和数字外围设备对数字设备的功耗只有很小的影响。

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