32位低功耗MCU設計

待機RAM 保持模式：CPU 內(nèi)核及所有時鐘源關閉，內(nèi)建LDO 切換到低耗電模式，但是RAM 及 IO 管腳持續(xù)供電，維持進入待機之前的狀態(tài)。

RTC 模式：CPU 內(nèi)核及高頻時鐘源關閉，內(nèi)建LDO 切換到低耗電模式，由于此時 LDO 供電能力降低，僅能提供低耗電的外圍電路運行，例如 32.768K 晶振、RTC (實時時鐘計數(shù)器)、BOD (降壓偵測或重置電路)、TN 單色LCD 直接驅(qū)動電路等。

深層待機模式：CPU 內(nèi)核及所有時鐘源關閉，關閉 RAM 及LDO、BOD 等所有外圍電路的電源，僅IO 管腳(或部分IO管腳)持續(xù)供電，由IO管腳或重置 (Reset) 管腳喚醒 CPU.因為此模式下，RAM 的數(shù)據(jù)已丟失，通常會進行內(nèi)部電源切割，提供數(shù)十個狀態(tài)記錄緩存器作為系統(tǒng)重啟時的初始狀態(tài)參考源。此模式的優(yōu)點是更低的靜態(tài)電流，通常僅需 100nA ~ 500nA,其缺點是并非所有的應用都可以忍受 RAM 數(shù)據(jù)丟失及系統(tǒng)重啟。

電源系統(tǒng)的考慮

在多電源系統(tǒng)的應用上，必須考慮低功耗 MCU 的內(nèi)部電源規(guī)劃或自動切換，以下以市電/備用電池雙電源系統(tǒng)及內(nèi)建 USB 接口，但平常由電池供電的行動裝置來舉例說明。

市電/備用電池雙電源系統(tǒng)：MCU 平常由市電經(jīng)由交直流轉(zhuǎn)換電路供電，當市電斷電時，經(jīng)由連接在備用電源的獨立供電管腳進行供電，同時在 MCU 內(nèi)部進行電源切割，并提供一個可靠的備用電源自動切換開關，確保市電正常供電時備用電池不會持續(xù)被消耗。但仔細考慮，其實有兩種狀況可能發(fā)生，一種是備用電池僅供電給部分低耗電的外圍電路，例如 32.768K 晶振、RTC 時鐘電路、數(shù)據(jù)備份寄存器等。當市電來時 MCU 將重新啟動。另外一種狀況是當市電斷電時，有可能 MCU 及部分外圍電路會被喚醒工作，然后再次進入待機模式。智能型電表就是此類應用的典型代表。在此種應用中，備用電池需要供電給整顆 MCU,所以電源自動切換開關必須能承受更高的電流，相對成本也較高。

內(nèi)建 USB 接口行動裝置：此類裝置平時由兩節(jié)電池供電或鋰電池供電，工作電壓可能為 2.2V 到 3V,當連接到 USB 時，USB接口轉(zhuǎn)由 VBUS 供電。此類低功耗 MCU 如果沒有內(nèi)建 5V 轉(zhuǎn) 3V 的 USB 接口 LDO 將會產(chǎn)生下列問題，當連接 USB 時必須由外掛的 LDO 將 USB VBUS 的 5V 電源轉(zhuǎn)換為 3V 電源同時提供給 MCU VDD 及 USB 接口電路，但又必須避免 LDO 輸出的 3V 電源與脫機操作時的電池電源發(fā)生沖突，將會需要外加電源管理電路，增加系統(tǒng)成本及復雜度。

豐富的喚醒機制及快速喚醒時間

有許多的系統(tǒng)應用場合，需要由外部的單一訊號、鍵盤或甚至串行通訊信號來激發(fā) MCU 啟動整體系統(tǒng)的運作。在未被激發(fā)的時候，微控器或甚至大部分的整機需要處于最低耗電的待機狀態(tài)，以延長電池的壽命。能夠在各式需求下被喚醒，也成為微控器的重要特征。MCU 能擁有各式不同的喚醒方式，包括各I/O 可作為激發(fā)喚醒的通道，或是由I2C、UART、SPI的信道作為被外界組件觸發(fā)喚醒，或使用內(nèi)、外部的超低耗電時鐘源，透過 Timer 來計時喚醒。諸多的喚醒機制，只要運用得當，并配合微控器的低耗電操作切換模式，可以使 MCU 幾乎時時處于極低功耗的狀況。

配有快速、高效率內(nèi)核的 MCU,可以在每次喚醒的當下短暫時間里，完成應有的運作與反應，并再次進入深層的低待機模式，以此達到平均耗能下降的目的。但是，如果喚醒后開始執(zhí)行微指令的時間因為某些因素而拖延的很長，將會使降低總體耗電的目標大打折扣，甚至達不到系統(tǒng)反應的要求。因此，有些 MCU,配合起振時間的改進，邏輯設計的配合，使得喚醒后執(zhí)行指令的時間至少降到數(shù)個微秒之內(nèi)。

低功耗模擬外圍及內(nèi)存

低功耗 MCU 在運行時除了 CPU 內(nèi)核及被致能的數(shù)字外圍電路在工作外，越來越多被整合到內(nèi)部的模擬外圍電路也是耗電的主要來源。以最簡單的 while (1); 執(zhí)行序來分析運行功耗，共包含下列耗電來源： CPU 內(nèi)核、時鐘振蕩器、嵌入式閃存內(nèi)存、及 LDO 本身的消耗電流。代入以下典型值數(shù)據(jù)將會更清楚顯示各個部分對耗電的影響：

運行頻率 12MHz,MCU 電壓 3V,LDO 輸出 1.8V 供給 CPU 內(nèi)核、內(nèi)存及其他數(shù)字電路

低功耗 CortexTM-M0內(nèi)核：600 μA

嵌入式閃存內(nèi)存：1.5 mA

低功耗12MHz 晶震電路：230 μA

LDO本身的靜態(tài)消耗電流：70 μA

總和 = 0.6 + 2 + 0.23 + 0.07 = 2.4 mA,平均功耗約 200μA/MHz

其中耗電比例最高的是嵌入式閃存內(nèi)存。如果要運行在更高頻率，通常會啟動內(nèi)建的 PLL 提供更高頻率的時鐘源，在 1.8V 供電的典型 PLL,12MHz 輸入輸出 48 MHz工作電流約為 1 ~ 2mA,如果不能有效降低 PLL 耗電，對高頻工作的低功耗 MCU 將是一大電流負擔。

LDO 的最低靜態(tài)功耗、32.768 kHz 晶振電路、BOD 及 TN LCD 驅(qū)動電路的工作電流，都會大大影響到待機或 RTC 模式的功耗指針。以低功耗應用的熱能表為例，RTC 加 LCD 顯示的功耗要求在 3V/8μA 以下，這代表可以預估分配給下列電路的電流預算為：LDO 靜態(tài)功耗 0.5μA + 32.768 kHz 晶振及RTC電路 1μA + BOD 1μA + TN LCD 驅(qū)動 4μA + LCD 玻璃 1μA + 所有數(shù)字電路及模擬外圍漏電流 0.5μA.這些模擬外圍除了低耗電要求，同時必須兼具要求批量生產(chǎn)及溫度變化時的一致性，這對模擬設計人員將是一大挑戰(zhàn)。

快速喚醒這個性能指針也會影響到下列模擬外圍的穩(wěn)定時間。當 MCU 從低耗電的待機模式喚醒時，首先要將 LDO 快速切換到高供電模式，啟動內(nèi)部高速 RC 震蕩器，使能嵌入式閃存及 CPU,以上所有電路的穩(wěn)定時間總和必須在數(shù)個微秒內(nèi)完成，才能符合快速喚醒的需求。

另外一個容易被忽略的設計是外圍電路啟動電流，因為相當多的便攜設備采用 CR2032 小型鋰電池，瞬間推動力僅有數(shù) mA,尤其使用一段時間瞬間推動力會更低，當 MCU 被喚醒時果外圍電路啟動電流總和太大時，將會導致 CR2032 輸出電壓驟降而導致 MCU 重置 (Reset) 或工作不正常。為了避免此問題，除了降低外圍電路的啟動電流，另一種方法是分時分段啟動外圍電路，不要集中開啟太多耗電的電路。

平均功耗計算范例

為了讓讀者更具體了解平均功耗的計算，以新唐科技的低功耗 32位 MCU Nano 系列及血糖計應用為例，進行使用年限的預估。新唐的 Nano 系列低功耗 32位 MCU 的 CPU 內(nèi)核為 CortexTM-M0,具有 200uA/MHz 低運行功耗、待機電流僅需1uA、7uS快速喚醒、多重時鐘訊號來源及多種工作模式，多達 128 KB Flash、16K SRAM 及 12位 ADC、12位 DAC、SPI、I2C、I2S、UART、LCD、Touch Key 等豐富外圍，符合低功耗、高性能 MCU 應用需求。

此血糖計范例采用 CR2032 230 mAh 電池，使用方式、運行功耗及靜態(tài)功耗如下表所示。

使用年限的計算方式請參考下表。量測時間比例、顯示時間比例及待機時間比例可由上表求得。例如，量測時間比例為 “6 次 x 0.25 分鐘 / (60 x 24) 分鐘 = 0.1%”.其余時間比例依此類推。量測平均電流為 “量測時間比例 x (MCU運行耗電流 +外部量測電路耗電流 +待機(含RTC)耗電流 + LCD 耗電流 + CR2032 自放電)”.顯示平均電流為 “顯示時間比例 x (待機(含RTC)耗電流 + LCD 耗電流 + CR2032 自放電)”.待機平均電流為 “待機時間比例 x (待機(含RTC)耗電流 + CR2032 自放電)”.最后計算出使用年限約為 2.77年。由于待機時間比例高達 99%,故血糖計應用待機電流為延長使用年限最重要的參數(shù)。

結(jié)論

低功耗MCU設計是一個需要多面向考慮的復雜工作，本文僅闡述基本設計理念。開發(fā)低功耗 MCU 產(chǎn)品時，不只要挑戰(zhàn)電路設計的高困難度，更要由客戶應用的角度考慮性價比，功能最強的不一定是最好的。往往性價比最適合的才能在市場上取得成功。由于智能電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、遠程控制、自動化管理等低功耗高效能應用需求量持續(xù)增加，在可以預見的未來，32位低功耗MCU將逐漸取代8/16位低功耗MCU,成為市場主流。