进入21世纪以来,伴随着信息产业的迅速发展,如消费电子、汽车电子、运动健康、智能家居等新兴领域如雨后春笋般出现,带来了层出不穷的智能化、信息化的产品,这些变化给微处理器这一传统控制设备带来了新的生机与活力,其市场需求正逐年上升。同时,市场也对微处理器提出了新的需求:低功耗指标,并且随着市场的发展,这个指标没有最低只有更低。低功耗已经成为微处理器发展的主要趋势和微处理器设计的重要目标。在这种背景下,本文对微处理器中进行功耗管理的电源管理系统进行了研究。论文首先从微处理器的应用场景着手,剖析了不同应用场景的特点,完成了以阶梯式功耗管理为核心的多工作模式设计。微处理器被划分为四个性能、功耗各不相同的可配置工作模式,在此基础上,结合微处理器的整体结构,提出了电源管理系统的设计实现方案,运用多电源域、电源门控等技术对微处理器的电源网络进行设计,通过在工作模式和停止模式下使用不同效能的LDO来优化低功耗模式下的功耗表现,设计了电源管理模块实现对系统状态变化和电源信号的全方位控制。对于系统中的时钟信号,本文设计了树状结构的时钟网络,并使用时钟管理模块对所有时钟门控、时钟分频进行管理,同时,针对电源管理模块时钟频率过低带来的模式唤醒时间较长的问题,设计了一个逻辑简单的时钟切换电路,将电源管理模块的时钟源在不同状态下进行切换,提高了微处理器的有效运行速度。本文根据软硬协同验证策略,对本文微处理器及电源管理系统进行了完备的功能验证,论证了设计的正确性,最终的回片功耗测试结果显示,微处理器在常规工作模式下功耗为22uA/MHz,停止模式下为1.8uA,待机模式下为50nA,各个模式之间有着明显的功耗梯度,同其他低功耗类型的微处理器相比,可以看出本文微处理器的低功耗指标已经接近或达到了市场最先进水平,证明所设计的电源管理系统有着较好的低功耗优化效果。