【电子通识】为什么单片机芯片上会有多组VDD电源？

news2025/1/19 17:02:39

在单片机芯片规格书中，我们经常能看到多个组VDD的设计，如下红框所示管脚都是VDD管脚。

为什么需要这样设计？只设置一个VDD管脚，把其他的VDD管脚让出来多做几个IO或是其他复用功能不好吗？接下来我们从单片机内部的电路结构、功耗、EMC等方面来探讨为什么单片机芯片上需要多组VDD，以及如何设计VDD的电源系统。

内部电路结构

首先需要了解单片机内部电路结构。一般来说，单片机的内部结构可以分为三个部分：处理器核心、存储器和外设。

处理器核心是单片机的重要组成部分，包含了运算器、控制器、状态寄存器等，用于完成各种算法和控制任务。

存储器用于存储程序和数据，包括闪存、RAM等。

外设包括模拟接口、数字接口、定时器等，用于连接各种传感器和执行器。

这些部分通过总线连接，构成了单片机的内部电路。总线包括数据总线、地址总线、控制总线等，用于在各个部分之间传输数据和控制信号。

在单片机内部电路中，处理器核心的功耗最大，因为它需要进行各种运算和控制操作。而存储器和外设的功耗相对较小，因为它们只需要存储和传输数据。因此，在设计VDD电源系统时，需要根据不同部分的功耗需求进行优化。

功耗

在单片机内部，处理器核心的功耗最大，因为它需要进行各种运算和控制操作。处理器核心的功耗主要来自于两个方面：静态功耗和动态功耗。

静态功耗是指处理器核心在没有进行任何操作时的功耗。比如我们在文章：【电源专题】案例：怎么用万用表测试静态电流IQ中写了什么是静态电流与静态电流如何测试。在处理器核心的电路中，存在许多静态电流，这些电流会消耗一定的功率，因此会产生静态功耗。静态功耗通常与工艺制程有关。这也是为什么工艺一直要求我们做到越来越精细，半导体产业一直在追求更高的工艺。

动态功耗是指处理器核心在进行运算和控制操作时的功耗。在进行运算和控制操作时，处理器核心需要能量，因此会产生一定的动态功耗。动态功耗通常与处理器核心的频率和电压有关，频率越高，电压越大，动态功耗越高。

因此，为了减小功耗，需要对处理器核心的频率和电压进行优化。一般来说，单片机芯片上的电压都是固定的，例如3.3V或5V。因此，为了减小功耗，可以通过调节处理器核心的频率来进行优化。

如下所示降低功耗往往可以考虑降低系统时钟频率。

除了处理器核心外，存储器和外设的功耗相对较小，因为它们只需要存储和传输数据。然而，存储器和外设的功耗也不能被忽视，因为它们会影响整个单片机系统的功耗。如下所示如果外设没有关闭，那仍然能消耗电流，在STM32F10xxx单片机停止模式下影响较大。

EMC

我们在文章：【EMC专题】电磁兼容--基本概念中讲到EMC分为EMI和EMS。

在单片机内部电路中，信号的传输和处理会产生电磁辐射和电磁干扰，也就是EMI。EMI会对周围的电路和设备产生干扰，导致其他系统不稳定或失效。

为了减小EMI，芯片设计者需要对VDD电源系统进行优化。VDD电源系统的设计需要考虑以下因素：

滤波：需要对VDD电源进行滤波，以减小电源的纹波和噪声。滤波可以采用陶瓷电容、磁珠等器件。在文章：【电子通识】为什么IC需要自己的去耦电容？我们讲到电源上去耦电容的重要性。在文章：【电源专题】为什么旁路/去耦电容这么重要？在PCB Layout时应该注意什么？中我们讲到对应的PCB Layout时对于旁路和去耦电容应该要注意什么。

分段供电：为了减小EMI，可以将单片机芯片划分为不同的区域，每个区域使用不同的VDD电源或隔离，可以减小EMI。

地电位：VDD电源的地电位需要与信号地电位分离，以减小地回路的干扰。有一些设计就将模拟地与数字地进行隔开。防止数字地干扰影响到模拟地。

电源管理

电源管理是单片机设计中非常重要的一个方面。在单片机系统中，不同的电路和外设需要不同的电源电压和电流。电源管理系统需要对这些电路和外设进行控制，以满足其电源需求，同时减小系统的功耗。比如在不使用外设的时候，可以通过电源管理将外设电源关闭。比如我们在文章：【电源专题】案例：换了个电源方案怎么整机功耗就增大了？中就是因为更换了电源方案，整机功耗就出现变大的问题。

常见的电源管理技术包括：

电源选择器：将不同的电源连接到单片机系统中，以满足不同电路和外设的电源需求。

电源控制器：控制单片机系统中的电源开关，以便在需要时打开或关闭电源，从而减小功耗。