突破電路設(shè)計(jì)桎梏　32位元MCU功耗再降

物聯(lián)網(wǎng)與智慧生活風(fēng)潮興起，帶動(dòng)市場(chǎng)對(duì)高效能且低功耗的32位元微控制器（MCU）需求增溫，因此微控制器業(yè)者已積極從制程和中央處理器（CPU）核心選擇，以及電路設(shè)計(jì)等層面著手，以降低動(dòng)態(tài)與靜態(tài)功耗，并兼顧整體運(yùn)算效能。

　　傳統(tǒng)的低功耗微控制器（MCU）設(shè)計(jì)都是以8位元MCU為主，因?yàn)?位元內(nèi)核閾門相對(duì)較少，運(yùn)行或泄露的電流低，售價(jià)也相對(duì)低廉。然而，許多新興的應(yīng)用皆需要比8位元內(nèi)核更大的處理效率。

　　近年智慧生活的抬頭、物聯(lián)網(wǎng)的興起，手持式消費(fèi)性電子產(chǎn)品與無線功能需求愈來愈高、設(shè)計(jì)愈來愈復(fù)雜，要提高性能的同時(shí)又要兼顧低功耗，需要有一高性能、低功耗的主控MCU做為平臺(tái)。此外，工業(yè)上的智慧化也在展開，如遠(yuǎn)端監(jiān)控、數(shù)位化、網(wǎng)路化等。簡(jiǎn)言之，云端應(yīng)用和物聯(lián)網(wǎng)需求越來越多，已導(dǎo)致產(chǎn)品功能愈來愈復(fù)雜，運(yùn)算需求愈來愈高。

　　2009年安謀國(guó)際（ARM）發(fā)表32位元Cortex-M0內(nèi)核，提供MCU廠商一個(gè)強(qiáng)而有力的平臺(tái)，加上制程微縮技術(shù)的進(jìn)步，嵌入式快閃記憶體制程普及化及降價(jià)，主要成本來自記憶體大小及類比周邊和輸入輸出（I/O）接腳數(shù)量，中央處理器（CPU）內(nèi)核的成本差異已大幅縮短，更促進(jìn)高性價(jià)比32位元低功耗MCU的快速發(fā)展。

　　運(yùn)行與靜態(tài)耗電量組成MCU功耗

　　在開始討論低功耗MCU設(shè)計(jì)前，必須先探討MCU功耗的來源，其主要由靜態(tài)功耗及運(yùn)行功耗兩部分組成。實(shí)際的應(yīng)用，須藉由計(jì)算平均功耗，決定最后系統(tǒng)功耗性能指標(biāo)。

　　動(dòng)態(tài)功耗與工作電壓和頻率相關(guān)

　　現(xiàn)代MCU已整合相當(dāng)多的類比周邊，不能單純考量數(shù)位電路的動(dòng)態(tài)功耗。MCU運(yùn)行時(shí)的總功耗，由類比周邊功耗和數(shù)位周邊的動(dòng)態(tài)功耗相加而得。類比電路的功耗通常由工作電壓及其性能要求指標(biāo)來決定，如100奈秒傳遞延遲（Propagation Delay）的比較器工作電流可能約為40微安培；當(dāng)允許傳遞延遲規(guī)格為1微秒時(shí)，工作電流有機(jī)會(huì)降到個(gè)位數(shù)微安培。

　　數(shù)位電路的動(dòng)態(tài)功耗主要來自開關(guān)頻率、電壓及等效負(fù)載電容，其計(jì)算公式如下：

　　PDynamic（動(dòng)態(tài)功耗）~f（工作頻率）xCL（等效負(fù)載電容）xVDD2（工作電壓）

　　由以上公式可以理解到降低動(dòng)態(tài)功耗最直接的方式，為降低工作電壓及工作頻率，但MCU實(shí)際應(yīng)用面通常要求更寬廣的工作電壓及更高的效能。在降低工作電壓方面，可以選擇更先進(jìn)的制程，并透過線性穩(wěn)壓器（LDO）讓CPU內(nèi)核、數(shù)位電路及與接腳輸出入電壓無關(guān)的類比周邊在低壓操作；I/O接腳及須與其他外部電路連接的類比周邊，則在較高的系統(tǒng)電壓操作，如此可以兼顧低功耗及寬工作電壓的需求。

　　在降低工作頻率這項(xiàng)參數(shù)上，一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的32位元MCU更能突顯其效能優(yōu)勢(shì)，除了直覺的每秒可執(zhí)行多少百萬指令（MIPS）比較之外，32位元匯流排也代表更高的資料存取頻寬，能以更低的工作頻率達(dá)到相同的效能，進(jìn)而降低整體功耗。另外，若MCU內(nèi)建與操作頻率相關(guān)的類比周邊，例如石英晶體振蕩電路、嵌入式快閃記憶體或電流式數(shù)位類比轉(zhuǎn)換器（DAC），其電流消耗與轉(zhuǎn)換頻率成正比，也要納入低功耗MCU的動(dòng)態(tài)功耗設(shè)計(jì)考量。

　　靜態(tài)功耗縮減挑戰(zhàn)重重

　　傳統(tǒng)靜態(tài)功耗的定義是指系統(tǒng)時(shí)脈源關(guān)閉時(shí)，數(shù)位電路的漏電流，但是在混合訊號(hào)低功耗MCU的設(shè)計(jì)中，要同時(shí)考慮下列多種漏電流來源，包含數(shù)位電路漏電流、靜態(tài)隨機(jī)存取記憶體（SRAM）漏電流、待機(jī)時(shí)已關(guān)閉的模擬電路漏電流（例如ADC、嵌入式快閃記憶體）、待機(jī)時(shí)不關(guān)閉的模擬電路工作電流（如LDO、電壓不足偵測(cè)（BOD））及I/O接腳的漏電流。

　　由于時(shí)脈源已關(guān)閉，影響靜態(tài)功耗的主要參數(shù)為制程、電壓及溫度。也因此，降低靜態(tài)功耗必須選擇超低功耗制程，但是低功耗制程通常伴隨較高的Vt，導(dǎo)致低電壓類比周邊設(shè)計(jì)困難。另外，以MCU