微型化与低功耗设计技术

第四章微型化与低功耗设计技术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。微型化和低功耗设计是核心技术。相关技术的发展为其提供了有力的支持。第一节概述电子元器件集成度越来越高摩尔定律：集成电路芯片的集成度每1.5年提高2倍。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表面安装技术(SMT)取代穿孔式安装(THT)。表面安装元件(SMC)。表面安装器件(SMD)。大量以低功耗为目标的电子元器件问世以MSP430为代表的微处理器可工作在uA级电流。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现场可编程逻辑器件(FPLD)。PAL(可编程阵列逻辑)和GAL(通用阵列逻辑)。FPGA(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硅微加工技术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)。可用于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。纳米技术在10-9m的尺度内对原子、分子加工的技术。“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。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。第二节便携式医学仪器设计的基本特点单片机的多功能发展，集成了越来越多的外围电路的功能。A/D、D/A(PWM)、LCD驱动、RAM、ROM(EPROM、FLASH)等。通讯一般采用线数最少的串行方式，低速用RS-232，高速用USB，近距离无线通讯采用红外通讯(IrDA)和宽带无线技术。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。1.系统设计高度集约化2.选用合适的供电电压和运行速度fCVPs2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CMOS集成电路除个别特殊的功率驱动电路外，尽可能采用CMOS电路。CMOS电路的优点微功耗（静态功耗几乎为0）输出逻辑电平摆幅大，工作电压范围宽，抗干扰能力强工作温度范围较宽。HCMOS电路速度已完全可以和TTL电路兼容。4.中央处理器参与低功耗管理5.全面采用表面安装器件除个别特殊的大功率器件外，包括单片机在内的所有IC都有相应的SMT器件。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SMT器件。SMT器件与THT器件相比，尺寸大幅度减小。电阻、电容体积仅有直插器件的1/10。IC的引脚中心距已由1.27mm缩小到0.3mm。第三节微型化与低功耗设计CMOS数字集成电路的静态功耗几乎为0。如接法合适，可降低到uA级1.CMOS集成电路与低功耗设计发生在逻辑状态转换的瞬间，由两个分量构成。跳变时两个场效应管同时导通所引起的尖峰电流。与转换时间有关。逻辑门节点电容的充电电流。等于面积与重复频率的乘积。CMOS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换时间有关。C是负载电容CMOS数字集成电路动态功耗的低功耗设计fVVRCVIVIPPPddLLddLddscds)(fVVRCPddLLd降低动态功耗的主要途径降低工作电压减少负载电容降低工作频率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未用引脚的处理。如悬空将引起功耗增加严重时会损坏器件不能悬空！输入信号幅度应保持在供电电压范围之内，否则可能损坏电路输出能力4000系列40H74HC74AC输出电流/mA0.440.84.024TTL扇出121060CMOS电路驱动能力表2.单片机的低功耗设计C为输入电容和连线电容的总和，典型输入电容为10pF。fCVPs2时钟频率高速内核外围电路的集成化内部程序存储器内部数据存储器时钟源管理片内环形振荡器可降低功耗改善停机模式空闲模式突发工作模式3.存储器的低功耗设计HCMOS存储器276427C64286428C64工作电流1003014030维持电流201705存储器功耗表维持工作方式EPROM维持工作方式RAM和EEPROM的维持工作方式FLASH维持工作方式AMD的Am29L400B，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态，读电流7mA，编程/擦除电流15mA，休眠电流200nA。FLASH应用设计实例Intel公司的DA28F320J5是32Mbit闪速存储器。支持14种操作指令，每项操作均要通过相应的命令实现4.电源的低功耗设计电源的分类线性稳压电源。低压差(LDO)的新型线性稳压器，一般输出100mA时，压差100mV。开关稳压电源。DC/DC变换器，生压型用于1A时，降压型用于1A时。电压反转式可以获得负压。电荷泵电源。输出是输入的负压或两倍的输入电压。早期的电荷泵变换器是以ICL7600为基础，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、静态电流大(170uA)。新型产品如MAX1673的静态电流仅为35uA，MAX662A在关闭状态时耗电1uA。便携式仪器的电源设计输出电流大时应采用降压DC/DC输出电流小时应采用升压DC/DC工作电流的最大值为IC最大输出电流的70%~90%较为合适。采用LDO的最佳条件要求输出电压纹波、噪声特别小输入输出电压差不大输出电流不大于100mA需负电源时尽量采用电荷泵要求噪声小或输出稳压时，可采用带LDO线性稳压的电荷泵IC。如MAX1680输出电流125mA，仅需外接两个1uF电容，输出阻抗3.5。MAX868，输出电压可调，外接两个0.1uF电容，消耗35uA电源电流，可输出30mA稳压电流，小尺寸uMax封装。DC/DC变换器中电感、电容及续流二极管的选择电感要满足在开关电流峰值时不饱和(开关峰值电流要大于输出电流的3~4倍)，并要选择合适的磁芯以满足开关频率的要求。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二极管必须采用肖特基二极管，其额定值应大于DC/DC的峰值电流。5.液晶显示技术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。在不同电流电场作用下，液晶分子会做规则的旋转90度排列，产生透光度的差别。液晶显示方式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。主动方式：由场效应管驱动反射式液晶的工作特点工作电压低（3~6V）；功耗极小（18~80uW/平方厘米)。体积小，为平板式显示。显示时间和余辉时间较长，速度较慢。在黑暗环境中不能显示，需采用辅助光源。无电磁辐射。液晶分类根据显示材料构造，可分为TN、STN、TFT。根据技术原理可分为TN、STN、FSTN、DSTN、TFT。TN：扭曲向列型。STN：超扭曲向列型。FSTN：薄层超扭曲向列型。DSTN：双超扭曲向列型。TFT：薄片式晶体管型。液晶显示模块将液晶显示器件、连接件、集成电路、PCB电路板、背光源、结构件装配在一起的组件。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。数显液晶模块记数模块计量模块计时模块点阵图形液晶模块行、列驱动型直接驱动型行、列控制型点阵图形液晶应用设计实例EG7564C_RS是一种高性能反射式320X200黑白点阵液晶，具有体积小、分辨率高、超低功耗(1mA)等特点，并且是3.3V单电源供电，共有18个引脚。6.表面安装技术SMT的主要优点：PCB无需钻孔，与THT比较，组装速度快，组装密度提高50%（采用双面和多层板可大幅度缩小）。是片式结构，无外引线，缩短了信号传输延迟时间，有利于提高电路的高频性能。耐振动，可靠性高。易于实现组装自动化，降低加工成本。特征尺寸THTSMT焊盘间距2.541.27焊盘1.5240.113孔经1.0160.457线宽/间距0.3050.127THT与SMT特征尺寸的比较7.电路集成设计可编程逻辑器件(PLD)。PAL(可编程阵列逻辑)和GAL(通用阵列逻辑)。FPGA(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(PLD)由一个“与”门和一个“或”门阵列组成。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能完成各种数字逻辑功能。PAL(可编程阵列逻辑)由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面组成。或门的输出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。现场可编程，实现工艺有反熔丝技术、EPROM技术和EEPROM技术。GAL(通用阵列逻辑)在PAL的基础上发展起来。输出结构是可编程的宏单元。现场可编程，实现了电可擦除和改写。FPGA(现场可编程门阵列)和CPLD(复杂可编程逻辑器件)在PAL、GAL的基础上发展起来。可以代替几十甚至几千块通用IC芯片。比较典型的是Xilinx公司的FPGA器件系列和Altera公司的CPLD器件系列。FPGA和CPLD的优点其基本逻辑门数可大上百万门。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。用户可反复编程、擦除、使用。在外围电路不动的情况下用不同软件实现不同功能。便携式医学仪器设计实例设计目的专为快速诊断、监护的心电图机。集主机、显示器、电极导联于一体，体积仅如手掌般大小。超低功耗，无需外接电源。只要将仪器背面与人体胸部接触，便可立即自动显示ECG。