突破電路設(shè)計(jì)桎梏　32位元MCU功耗再降

　　總和=0.6+2+0.23+0.07=2.4毫安培，平均功耗約200μA/MHz。其中耗電比例最高的是嵌入式快閃記憶體。若要運(yùn)行在更高頻率，通常會(huì)啟動(dòng)內(nèi)建的鎖相回路（PLL）提供更高頻率的時(shí)脈源，在1.8伏特供電的典型PLL，12MHz輸入輸出、48MHz工作電流約為1？2毫安培，若不能有效降低PLL耗電，對(duì)高頻工作的低功耗MCU將是一大電流負(fù)擔(dān)。

　　LDO的最低靜態(tài)功耗、32.768kHz晶振電路、BOD及扭轉(zhuǎn)向列型液晶顯示器（TN LCD）驅(qū)動(dòng)電路的工作電流，都會(huì)大大影響到待機(jī)或RTC模式的功耗指標(biāo)。以低功耗應(yīng)用的熱能表為例，RTC加LCD顯示的功耗要求在3V/8微安培以下，這代表可以預(yù)估分配給下列電路的電流預(yù)算為：LDO靜態(tài)功耗0.5微安培+32.768kHz晶振及RTC電路1微安培+BOD1微安培+TN LCD驅(qū)動(dòng)4微安培+LCD玻璃1微安培+所有數(shù)位電路及類比周邊漏電流0.5微安培。這些類比周邊除了低耗電要求，同時(shí)必須兼具要求批量生產(chǎn)及溫度變化時(shí)的一致性，這對(duì)類比設(shè)計(jì)人員將是一大挑戰(zhàn)。

　　快速喚醒這個(gè)性能指標(biāo)也會(huì)影響到下列類比周邊的穩(wěn)定時(shí)間。當(dāng)MCU從低耗電的待機(jī)模式喚醒時(shí)，首先要將LDO快速切換到高供電模式，啟動(dòng)內(nèi)部高速RC振蕩器，使能嵌入式快閃記憶體及CPU，以上所有電路的穩(wěn)定時(shí)間總和必須在數(shù)個(gè)微秒內(nèi)完成，才能符合快速喚醒的需求。

　　另外一個(gè)容易被忽略的設(shè)計(jì)是周邊電路啟動(dòng)電流，因?yàn)橄喈?dāng)多的可攜式裝置采用CR2032小型鋰電池，瞬間推動(dòng)力僅有數(shù)毫安培，尤其使用一段時(shí)間瞬間推動(dòng)力會(huì)更低，當(dāng)MCU被喚醒時(shí)，若周邊電路啟動(dòng)電流總和太大時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致CR2032輸出電壓驟降，致使MCU重置（Reset）或工作不正常。為了避免此問(wèn)題，除了降低周邊電路的啟動(dòng)電流，另一種方法是分時(shí)分段啟動(dòng)周邊電路，不要集中開(kāi)啟太多耗電的電路。

　　平均功耗計(jì)算范例

　　為了讓讀者更具體了解平均功耗的計(jì)算，以新唐科技的低功耗32位元MCU Nano系列及血糖計(jì)應(yīng)用為例，進(jìn)行使用年限的預(yù)估。

　　此血糖計(jì)范例采用CR2032 230mAh電池，使用方式、運(yùn)行功耗及靜態(tài)功耗如表1所示。

　　使用年限的計(jì)算方式請(qǐng)參考表2。量測(cè)時(shí)間比例、顯示時(shí)間比例及待機(jī)時(shí)間比例可由表2求得。例如，量測(cè)時(shí)間比例為六次×0.25分鐘/（60×24）分鐘=0.1%。其余時(shí)間比例依此類推。量測(cè)平均電流為量測(cè)時(shí)間比例×（MCU運(yùn)行耗電流+外部量測(cè)電路耗電流+待機(jī)（含RTC）耗電流+LCD耗電流+CR2032自放電）。顯示平均電流為顯示時(shí)間比例×（待機(jī)（含RTC）耗電流+LCD耗電流+CR2032自放電）。待機(jī)平均電流為待機(jī)時(shí)間比例×（待機(jī)（含RTC）耗電流+CR2032自放電）。最后計(jì)算出使用年限約為2.77年。由于待機(jī)時(shí)間比例高達(dá)99%，故血糖計(jì)應(yīng)用待機(jī)電流為延長(zhǎng)使用年限最重要的參數(shù)。

　　低功耗MCU開(kāi)發(fā)須兼顧性價(jià)比要求

　　低功耗MCU設(shè)計(jì)是一個(gè)須多面向考慮的復(fù)雜工作，本文僅闡述基本設(shè)計(jì)理念。開(kāi)發(fā)低功耗MCU產(chǎn)品時(shí)，不只要挑戰(zhàn)電路設(shè)計(jì)的高困難度，更要由客戶應(yīng)用的角度考慮性價(jià)比，功能最強(qiáng)的不一定是最好的，往往性價(jià)比最適合的產(chǎn)品，才能在市場(chǎng)上取得成功。由于智慧電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)端控制、自動(dòng)化管理等低功耗、高效能應(yīng)用需求量持續(xù)增加，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，32位元低功耗MCU將逐漸取代8、16位元低功耗MCU，成為市場(chǎng)主流。