20世紀(jì)90年代以來，隨著集成電路特征線寬的持續(xù)縮小以及芯片密度和工作頻率的相應(yīng)增加，降低功耗已經(jīng)成為亞微米和深亞微米超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)主要考慮因素。功耗的增加會帶來一系列問題，例如電路參數(shù)漂移、可靠性下降、芯片封裝成本增加等。因此，系統(tǒng)的功耗在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，尤其是在采用電池供電的系統(tǒng)中顯得十分重要。

Microchip公司PIC系列的單片機(jī)為設(shè)計(jì)高性能、低功耗的單片機(jī)系統(tǒng)提供了很好的解決方案。下面從低功耗設(shè)計(jì)方法及具體例子來介紹PIC單片機(jī)低功耗應(yīng)用。

1 低功耗設(shè)計(jì)方法

為使系統(tǒng)工作在低功耗狀態(tài)，必須正確設(shè)置單片機(jī)的配置及工作方式。下面結(jié)合最常用的PIC12、PIC16等單片機(jī)介紹低功耗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

1.1 基本設(shè)計(jì)方法

有許多技術(shù)可以降低系統(tǒng)的功耗，最常用的是Sleep模式。程序執(zhí)行一條SLEEP指令，便進(jìn)入了休眠（Sleep）模式。要Sleep模式下，晶振停止振蕩，而此時(shí)單片機(jī)在3V電源條件下，只有1μA的電流。系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)可以采用看門狗或外部事件周期性地喚醒單片機(jī)，利用電子開關(guān)為系統(tǒng)提供電源，以減少系統(tǒng)待機(jī)功耗，延長電池使用時(shí)間。

單片機(jī)的工作頻率和功耗的關(guān)系也很大，頻率越高，功耗越大。在采用32kHz晶振、3V工作電壓時(shí)，PIC12、PIC16等系列單片機(jī)的典型工作電流只有15μA；而采用4MHz晶振、5V工作電壓時(shí)，單片機(jī)的典型工作電流達(dá)到幾mA。在許多低功耗的場合，采用低速晶振實(shí)現(xiàn)低功耗非常有效。如果單片機(jī)采用RC振蕩，還可以通過I/O口的操作改變振蕩電阻，從而改變單片機(jī)工作頻率，達(dá)到節(jié)能的目的。如圖1所示，1個(gè)I/O引腳可以在等待狀態(tài)下將并聯(lián)電阻R1去掉，降低單片機(jī)工作頻率。當(dāng)單片機(jī)需要工作時(shí)，可將I/O引腳設(shè)置為輸出并輸出高電平，從而提高振蕩頻率。

1.2 振蕩電路設(shè)計(jì)

在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，振蕩電路的設(shè)計(jì)是十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。PIC系列單片機(jī)的典型振蕩電路如圖2所示。

一般情況下，設(shè)計(jì)人員按照廠家給出的參數(shù)表進(jìn)行選擇。如果系統(tǒng)能夠正常工作，也就不再進(jìn)行改進(jìn)了。其實(shí)，這是不合適的。因?yàn)镸icrochip的單片機(jī)根據(jù)型號和版本的不同，工作電壓在直流2.5～5.5V的范圍內(nèi)，汽車級溫度可以在-40～-125℃范圍內(nèi)，而參數(shù)表中只給出了有限的幾種情況，實(shí)際環(huán)境參數(shù)會對振蕩電路的性能產(chǎn)生很大的影響。如高溫、低電壓可減小振蕩環(huán)路增益，而從降低振蕩頻率或者難以啟動(dòng)；低溫、高電壓可以使環(huán)路增益變大，從而使晶振過驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生損壞的潛在危險(xiǎn)或者振蕩電路工作的高次諧波頻率上升，加大系統(tǒng)功耗。因此，如何正確設(shè)計(jì)系統(tǒng)的振蕩電路十分必要。對于PIC系列單片機(jī)，一般的設(shè)計(jì)步驟如下：

①選擇晶振。根據(jù)系統(tǒng)需要的振蕩頻率進(jìn)行晶振的選擇。此外，晶振的工作溫度和頻率穩(wěn)定度也是十分重要的指標(biāo)。

②選擇振蕩器類型。PIC系列單片機(jī)有RC、LP、XT、HS等振蕩模式。除RC模式外，振蕩模式的選擇實(shí)際上就是環(huán)路增益的選擇。低增益對應(yīng)低振蕩頻率，高增益對應(yīng)高振蕩頻率。一般根據(jù)實(shí)際需要的工作頻率可參考數(shù)據(jù)手冊來選擇。

圖4 接口電路

    ③選擇C1、C2。理想的情況是，保證系統(tǒng)在高溫和最低工作電壓下能夠正常工作，使得電容在數(shù)據(jù)手冊推薦的范圍內(nèi)最小。同時(shí)選擇C2比C1大一些以加大相移，使其有利于振蕩電路的上電啟動(dòng)。

④選擇Rs。在以上參數(shù)都已經(jīng)選定后需要決定Rs的大小。簡單的辦法是讓系統(tǒng)工作在最低溫度和最大電壓情況下，此時(shí)得到的應(yīng)該是時(shí)鐘電路最大輸出幅度。用示波器觀察引腳OSC2的輸出波形（注意，示波器的探頭將給電路引入一個(gè)電容，一般為幾pF），如果發(fā)現(xiàn)正弦波的峰（接收Vdd處）和谷（接收Vss處）被削平或壓扁，說明驅(qū)動(dòng)過載，需要在OSC2和C2間加入1個(gè)電阻Rs，一般1kΩ左右或小于1kΩ。Rs不宜過大，過大將使得輸入和輸出產(chǎn)生隔離，從而產(chǎn)生較大的噪聲。當(dāng)發(fā)現(xiàn)需要一個(gè)較大的Rs才能消除過驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以增加負(fù)載電容C2來補(bǔ)償。C2一般選擇在15～33pF之間