利用多電壓架構(gòu)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(qū)動下，16位和32位微控制器（MCU）的應(yīng)用領(lǐng)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(shè)備也在不斷擴大應(yīng)用范圍。

　　不過深亞微米技術(shù)存在一個重大缺陷，就是泄漏電流非常高。這是一個嚴(yán)重的問題，對電量有限的電池供電應(yīng)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(yīng)用功耗的主要原因，本文主要介紹創(chuàng)新的STM32 ARM Cortex-M3內(nèi)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(yīng)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(guān)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(shù)都會提高泄漏電流。泄漏電流主要是由柵極、亞閾壓和結(jié)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(shù)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(yīng)；結(jié)隧道泄漏電流是由反向偏置P-N結(jié)(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(guān)系曲線如圖2所示。在沒有開關(guān)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?xí)^1mA，基于這個原因，考慮到最高應(yīng)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(shù)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(shù)準(zhǔn)許的最短長度；提高晶體管上的氧化層厚度)，但是這些技術(shù)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(nèi)使用這樣的單元，會影響芯片的性能。

　　從結(jié)構(gòu)的角度看，數(shù)字邏輯電路和存儲器是導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(dāng)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(shè)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(shè)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(gòu)和低功耗設(shè)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(yīng)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(shè)計工程師們在架構(gòu)層上實現(xiàn)了一個內(nèi)置穩(wěn)壓器、幾個獨立的電壓區(qū)和集成電源開關(guān)，由此實現(xiàn)的低功耗模式可以根據(jù)應(yīng)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(guān)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(yīng)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(nèi)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(guān)閉大部分的內(nèi)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(nèi)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(dǎo)通的小面積電壓區(qū)，另外一個是為了在待機模式下關(guān)閉而通過一個開關(guān)驅(qū)動所有其它功能的“主內(nèi)核”電壓區(qū)。因此，在主內(nèi)核電壓區(qū)可以專注于處理性能，而在“始終導(dǎo)通”電壓區(qū)內(nèi)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(nèi)，內(nèi)部穩(wěn)壓器在待機模式下必須始終保持通態(tài)，這預(yù)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(shù)。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(guān)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(nèi)核從電壓區(qū)包括限制在低壓下的所有其它功能(CPU內(nèi)核、大多數(shù)外設(shè)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(nèi)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(yīng)用失效。