【电子通识】为什么单片机芯片上会有多组VDD电源？

        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。

        电源转换器：将电源电压转换为单片机系统中需要的电压。

        睡眠模式：当单片机系统不需要进行运算和控制时，可以将系统切换到睡眠模式，以减小功耗。

        电源管理技术可以帮助单片机系统实现高效的功耗管理和扩展系统寿命。

结论

        在单片机芯片上为什么有那么多组的VDD电源？这是因为单片机系统中的不同电路和外设需要不同的电源电压和电流，而且为了减小功耗、减小EMI和实现电源管理。因此需要对VDD电源系统进行优化。