利用多電壓架構在32位MCU上實現(xiàn)高性能和超低功耗待機模式

在提高計算性能和集成更多功能的市場需求驅動下，16位和32位微控制器（MCU）的應用領域在不斷擴大。電源電壓降低，采用先進的CMOS制造工藝的32位微控制器實現(xiàn)了高性能，縮小了芯片尺寸，這些因素使電池供電的設備也在不斷擴大應用范圍。

　　不過深亞微米技術存在一個重大缺陷，就是泄漏電流非常高。這是一個嚴重的問題，對電量有限的電池供電應用影響特別大。為了克服這個缺陷，新的32位微控制器(包括通用微控制器)必須具有能效非常高的超低功耗模式，以延長待機使用時間。

　　靜態(tài)電流可能是產(chǎn)生電池供電應用功耗的主要原因，本文主要介紹創(chuàng)新的STM32 ARM Cortex-M3內核微控制器如何實現(xiàn)低功耗模式以及最大限度降低泄漏電流對電池供電應用的影響。

　　泄漏電流

　　泄漏電流是CMOS晶體管柵極在靜態(tài)(無開關操作)下存在的連續(xù)電流，產(chǎn)生泄漏電流的原因有多個，每個縮減芯片尺寸的新技術都會提高泄漏電流。泄漏電流主要是由柵極、亞閾壓和結隧道三種泄漏電流組成，參見圖1。

　　亞閾壓泄漏電流是由亞閾壓降低引起的，每一代新技術降低電壓時都需要降低閾壓；柵極泄漏電流是由柵極氧化層厚度降低造成的，降低柵極氧化層厚度是降低“短溝道”效應；結隧道泄漏電流是由反向偏置P-N結(電子隧道)上的電場引起的。

　　因為亞閾壓泄漏電流隨溫度升高而以冪數(shù)形式升高，所以泄漏電流隨溫度升高而增加，溫度與泄漏電流的關系曲線如圖2所示。在沒有開關操作的狀態(tài)下，采用先進制造工藝的32位微控制器在通常的環(huán)境溫度下能夠把靜態(tài)電流限制到幾微安。然而這種強度的靜態(tài)電流還會隨溫度升高而增加，在125℃時甚至會超過1mA，基于這個原因，考慮到最高應用溫度下的泄漏電流是非常重要的。

　　雖然目前存在幾種技術能夠限制一個數(shù)字單元的泄漏電流(延長多晶硅的長度，超過技術準許的最短長度；提高晶體管上的氧化層厚度)，但是這些技術會影響數(shù)字單元的時間延遲。如果在一個完整的核心邏輯內使用這樣的單元，會影響芯片的性能。

　　從結構的角度看，數(shù)字邏輯電路和存儲器是導致泄漏電流增加的主要原因。除了因為尺寸縮小而引起泄漏電流提高的原因外，新一代8位、16位和32位微控制器還大幅度提高了數(shù)字邏輯門的數(shù)量和存儲器的容量，所以，泄漏電流是采用最新半導體工藝的通用微控制器亟待解決的一個主要問題，因為電池電量有限，電池供電應用需要對這個問題給予特殊考慮。

　　泄漏電流對電池使用時間的影響

　　當平均運行電流相對于待機電流變得很小時，靜態(tài)電流消耗是引起平均電流功耗的一個主要原因。

　　如果電池提供的電量已確定，我們就可以快速估算出設備的電池使用時間(不考慮Peukert法則中的電池電容的非線性)，見下式。

　　其中，Irun是運行電流，單位是mA；Istdby是待機電流，單位是mA；Eb是電池容量，單位是mAH；Trs是待機模式下的相對使用時間，取值范圍是0~1。

　　以STM32 128kB閃存微控制器為例，在所有外設開啟的條件下，72MHz的運行電流的典型值僅為36mA(0.5mA/MHz)，這要歸功于ARM Cortex-M3架構和低功耗設計方法。不過，因為采用了先進的制造工藝，泄漏電流到了55℃時會明顯增加。但是，靜態(tài)電流在55℃時仍然能夠限制到50mA，這歸功于一個超低功耗的電壓監(jiān)控器及穩(wěn)壓器。與運行功耗相比，這個數(shù)值非常小，可以忽視不計。但是，如果應用系統(tǒng)每天只運行一分鐘，則靜態(tài)電流功耗則在總功耗中占很大比例(64%)。為了解決這個問題，STM32的設計工程師們在架構層上實現(xiàn)了一個內置穩(wěn)壓器、幾個獨立的電壓區(qū)和集成電源開關，由此實現(xiàn)的低功耗模式可以根據(jù)應用優(yōu)化電池使用時間。

　　實現(xiàn)超低功耗待機

　　一個微控制器的總功耗是動態(tài)功耗（CMOS柵極的開關操作）與靜態(tài)電流功耗（泄漏電流和靜態(tài)模擬電流功耗）的總合。靜態(tài)電流是引起功耗的一個主要原因，停止時鐘運行，消除所有動態(tài)功耗，對于電池供電應用顯然不是一個有效的待機狀態(tài)。即便在停止時鐘時降低內核電壓，對實現(xiàn)有效的待機模式也沒有太大的幫助。為實現(xiàn)超低功耗待機模式，必須關閉大部分的內核邏輯器件(和存儲器)的電源。

　　為了做到這一點，可以在器件上做出兩個由內部穩(wěn)壓器供電的電壓區(qū)，一個是供給低功率控制器的始終導通的小面積電壓區(qū)，另外一個是為了在待機模式下關閉而通過一個開關驅動所有其它功能的“主內核”電壓區(qū)。因此，在主內核電壓區(qū)可以專注于處理性能，而在“始終導通”電壓區(qū)內限制泄漏電流(靜態(tài)電流)卻十分重要。

　　不過，在這兩個電壓區(qū)內，內部穩(wěn)壓器在待機模式下必須始終保持通態(tài)，這預示會產(chǎn)生一股巨大的靜態(tài)電流。因此，最好停止嵌入式穩(wěn)壓器的運行，以便達到一個超低的待機電源電流。

　　STM32按以下方式實現(xiàn)這兩個電壓區(qū)，其框架如圖3所示。

　　●VDD后備主電壓

區(qū)基于靜態(tài)電流非常低的厚氧化層高壓晶體管技術。因為有了高壓晶體管，這個電壓區(qū)可以直接由主VDD電壓供電。該電壓區(qū)包括低功率模式控制器和功率極低的看門狗，以及相關的低功率RC振蕩器和一個門數(shù)量優(yōu)化的邏輯電路;
　　●主內核從電壓區(qū)包括限制在低壓下的所有其它功能(CPU內核、大多數(shù)外設和存儲器)，主要用于提高性能，降低動態(tài)功耗。

　　有了這兩個電壓區(qū)，STM32F103能夠提供一個功耗極低的安全待機模式，在3.3V電壓下典型電流為2mA，這是電壓監(jiān)控器所消耗的電流，這個監(jiān)控器是為確保待機模式與運行模式一樣可靠而監(jiān)控主電源電壓的。因為泄漏電流可以限制在很低水平，所以在85℃和3.3V條件下，器件隨溫度升高而增加的待機電流被限制在2.4mA。

　　我們也可以在主電壓域內實現(xiàn)動態(tài)降低功耗的功能，例如，STM32包括一個獨立的超低功耗的看門狗，該看門狗在待機模式下工作，總增加功耗(專用RC振蕩器和看門狗的數(shù)字功耗)在3.3V電壓下僅1mA。如果在待機模式下出現(xiàn)一個意外輸入，這個功能則可以防止應用失效。