[科普中国]-低功率电路

低功率电路即器具以额定电压供电，并且将一个已调到其最大电阻值的可变电阻器连接在被调查点和电源的异性极之间，然后减少电阻值，直到该电阻器消耗的功率达到最大值，在第5秒末时，供给该电阻器的最大功率不超过15W的最靠近电源的那些点，被称为低功率点。距电源比低功率点远的那一部分电路被认为是一个低功率电路。

概念低功率电路被认为是一种耗能较低的集成电路。当集成电路正变得越来越复杂时，为了适应这一变化，在进行集成电路设计时就不得不考虑功耗的要求，低功率系统越来越受到重视。

低功率电路的确定研究背景随着科学技术的发展，电器产品功能不断增强，越来越多的电器产品中使用电子控制电路。JFKLMNEI 低功率电路的确定方法

（1）可变电阻器法

根据低功率电路的定义，我们可以用一个可变电阻器来进行测量。优点是操作比较简单。缺点是由于电阻的选择或操作不当，可能找不到低功率点，实际操作中，经常发生电路故障。

（2）计算法

根据分析、计算电路的特性来确定低功率电路。对于含线性元件的集中参数电路（如图1）， 为确定某一被调查点（例如节点1）是否为低功率点，我们在节点1与节点2之间串联一可变电阻r，根据戴维南定理，任何线性有源二端网络对外的等效电路可用一电压源与内部等效阻抗相串联之电路表示（如图2）；或根据诺顿定理，任何线性有源二端网络对外的等效电路可用一电流源与内部等效阻抗相并联之电路表示（如图3）。

（3）EDA（Electronic Design Automation）方法

EDA电子设计自动化技术在电子设计和制造领域飞速地发展。其中ProtelInternational公司的Protel软件可以实现电子产品从电学概念设计到生成物理生产数据的全过程，以及这中间的所有分析、仿真和验证。Protel提供了高级数模器件混合仿真功能，其仿真引擎使用的是伯克利分校的SPICE3f5/Xspice，它可精确地仿真各种器件构成的电路。1

研究结论低功率电路的确定还有其他方法，研究暂列举了三种方法，从上面的分析可以看出，每种方法都有其优缺点，只有对各种方法灵活运用，并不断总结电路的规律，才能准确、快速地找出低功率点和低功率电路。

低功率电路的应用及其实现方案低功率应用在电池供电模式下，一些便携式电脑工作时间可达6个小时以上。由于受便携式电脑的实际尺寸和重量限制，不允许加风扇或其它冷却器。也限制了电池的大小和重量，因此增加电池尺寸延长电池工作时间的做法是不可行的。

低功率系统的另一个例子是蜂窝电话。它们能将用于系统控制的微处理器、模拟电路、数字电路和RF电路一起集成到很小的封装中，电池在充电一次后，能在“接收、待机”模式下工作一整天，并可以有一小时的通话时间。

一般来说，低功率系统必须面对与低功耗有关的额外性能限制，而系统设计都将功耗作为其中的一项重要性能指标。半导体工艺和电路结构的发展为元器件性能带来巨大进步，同时也带来功耗问题。许多情况下要平衡性能与功耗的关系非常困难，但利用适当的功率控制方法或创新性设计可以获得多种解决方案。

降低供电电压会产生两种副作用。首先，电路工作电压越低，则速度越慢。如果其它因素都保持不变的话，会减小电容充放电的电流或负载驱动电流。其次，较低的电压将导致较低的输出功率或较低的信号幅度，这会产生噪声和信号衰减问题。2

产生功耗的原因整体的功耗取决于诸多因素，如基底技术、封装密度、外部环境、产品性能和供电电压。在实际应用中，往往速度越高功耗越大。电阻上消耗的功率表示为12R，它通常由负载器件和寄生元件产生。不管采用何种技术都会或多或少地存在这方面的功耗，在电阻性负载电路如模拟电路中更是如此。当采用深亚微米技术时，电路中的导线（金属导线）和层间寄生电阻会产生静态阻抗功耗，在动态功耗中也要消耗一定的电流。

有源器件的正常工作模式可用一条转移曲线和某些I—V特性来描述，工作点电压与电流的乘积是功率的函数，适用于全部有源器件。该乘积是一个静态值，对无源和有源器件来说，它包含了漏电流和偏置电流。

在CMOS电路中。理想情况下，I—V转移曲线是一个瞬态函数。当I—V转移曲线跨越门限时，从一个状态转移到另一个状态不消耗功率。但在实际应用中。转移曲线并不是理想的方形。因此每次状态转移时都会有大的(潜在性)开关电流。理论上看，在状态转移过程最坏情况下，具有零内阻的开关器件会在电源与地之间形成直接短路的现象。

在CMOS电路中，最大的功耗来自于内部和外部电容的充放电，通常用W/Hz来表示每个门电路的功耗。据此，就可以计算后级的门或输出负载(包括电路封装和PCB导线)的电容充放电所需的功率。峰值电流I=C(V/T)，V约等于CMOS电路的电源电压，T是上升或下降沿时间，C是后级负载电容，因此峰值电流通常都比较大。平均开关功率P=C(V)2F，此时C是指输出端的负载电容，V是供电电压，F则是开关频率。

功耗的系统成本系统功率越大，所需要的电源电压也越高，成本也就更昂贵，由此产生的影响涉及到电源总线、板上旁路电容、母板布线、电源线滤波器甚至电源电缆和熔丝等。另外，较大的供电电源需要更多的空间，因此可能会影响到系统的总体封装。

电池尺寸、重量和成本取决于系统对整体功率的要求以及每次充电所要求的工作时间。一般情况下，电池越大成本越高。备份电池和充电器在尺寸与重量方面可能与原设备相当，因此会严重影响设备的便携性。因此，系统整体功率要求得越低，在电源方面开销就越少。同时小型电源产品占用空间小。自身功率消耗得也较少，因此会对系统整体功耗有益。

其它问题包括风扇与另外一些散热元件的成本，当需要加速空气流通时成本也会相应增加；散热器与排热管有助于热源热量的散发，但仍需将热量从系统中排除出去。低成本的塑料封装不能适应高集成度IC的高功率特性要求。这迫使其采用具有热量管理功能的昂贵封装或其它更复杂的冷却系统。

低功率电路的实现方案IC 工业正寻求多种途径来满足低功率系统要求，其中一个途径是将数字器件的工作电压从5V变为3.3V，将模拟器件的电源电压从+15V变为5V单电源。这些改变归功于先进的硅片技术与电路结构。未来数字芯片工作电压的发展趋势将是2.5V、1.8V甚至更低的电压，它们均是0.9V(电池电压的最低极限)的倍数。器件的复杂度、更高的工作频率和器件物理性质将共同促进这一发展趋势。届时亚微米几何尺寸的更小型器件所具有的较薄氧化层将难以承受更高的电源电压。

为满足低功率系统要求，有些厂商还会采取在产品中增加 3V内核单元和宏的方法。这些产品经过优化能同时工作在3V或5V电源下，并具有相同的性能指标，利用特殊的接口单元，它们仍保留有5V电源接口。而影响供电电压快速更新换代的最大障碍在于，现有的大量系统都采用5V电源，这些系统要求产品保留与其它5V(TIL)接口的后向兼容性。3

本词条内容贡献者为:

王伟 - 副教授 - 上海交通大学