最詳盡32位MCU低功耗設計考量與經典范例參考（一）

傳統(tǒng)的低功耗MCU設計都是以8位MCU為主，因為8位內核閾門相對較少，運行或泄露電流低，售價也相對低廉。但是，許多新興的應用都需要比8 位元內核更大的處理效率。近年智能生活的抬頭、物聯(lián)網的建立，手持式消費性電子產品與無線功能需求越來越高、設計越來越復雜，要提高性能的同時又要兼顧低功耗，需要有一高性能低功耗的主控MCU來作為平臺。另一方面，工業(yè)上的智能化也在展開，如遠端監(jiān)控、數(shù)位化、網路化等。簡單說來，就是人物之連結（云端應用）、物物之連結（物聯(lián)網） 需求越來越多，導致產品功能越來越復雜，運算量越來越高，2009年ARM發(fā)表了32位Cortex-M0內核，提供 MCU 廠商一個強而有力的平臺，加上制程微縮技術的進步，嵌入式快閃記憶體制程普及化及降價，主要成本來自記憶體大小及類比周邊和 IO 管腳數(shù)量，CPU內核的成本差異已大幅縮短，更促進了高性價比32位元低功耗MCU的快速發(fā)展。

　　MCU功耗來自何處？

　　在開始討論低功耗 MCU 設計前，必須先探討 MCU功耗的來源，其主要由靜態(tài)功耗及運行功耗兩部分組成?？紤]實際的應用，最后決定系統(tǒng)功耗性能指標則必須計算平均功耗。

　　運行功耗

　　現(xiàn)代 MCU 已整合相當多的的類比周邊，不能單純考量數(shù)字電路的動態(tài)功耗。MCU運行時的總功耗由類比周邊功耗和數(shù)字周邊的動態(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來決定，例如 100 ns傳遞延遲 （Propogation Delay）的比較器工作電流可能約為 40 微安，當允許傳遞延遲規(guī)格為 1 μs時，工作電流有機會降到個位數(shù)微安。

　　數(shù)字電路的動態(tài)功耗主要來自開關頻率、電壓及等效負載電容，其計算公式如下：

　　PDynamic （動態(tài)功耗） ~ f （工作頻率） x CL （等效負載電容） x VDD 2 （工作電壓）

　　由以上公式可以理解到降低動態(tài)功耗最直接的方式為降低工作電壓及工作頻率。但MCU實際應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，可以選擇更新近的制程，并透過 LDO 讓 CPU 內核、數(shù)字電路及與管腳輸出入電壓無關的類比周邊在低壓操作，IO 管腳及需要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參數(shù)上，一個設計優(yōu)良的32位MCU更能突顯其效能優(yōu)勢，除了直覺的 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到相同的效能，進而降低整體功耗。另外，如果 MCU 內建與操作頻率相關的類比周邊，例如石英晶體震蕩電路、嵌入式快閃記憶體或電流式 DAC，其電流消耗與轉換頻率成正比，也要納入低功耗 MCU 的動態(tài)功耗設計考量。

　　靜態(tài)功耗

　　傳統(tǒng)靜態(tài)功耗的定義是指系統(tǒng)時鐘源關閉時數(shù)字電路的漏電流。但是在混合信號低功耗 MCU 的設計中要同時考慮下列多種漏電流來源，包含數(shù)字電路漏電流、SRAM 漏電流、待機時已關閉的模擬電路漏電流 （例如 ADC，嵌入式快閃記憶體）、待機時不關閉的模擬電路工作電流 （例如 LDO、BOD） 及 IO 管腳的漏電流。因為時鐘源已關閉，影響靜態(tài)功耗的主要參數(shù)為制程、電壓及溫度。所以降低靜態(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，導致低電壓類比周邊設計困難。另外，以MCU待機電流 1微安的規(guī)格，代表數(shù)字電路漏電 + RAM 保持電流 + LDO 工作電流 + BOD （降壓偵測或重置電路） 工作電流總和必須小于 1微安，對于 Flash，RAM 越來越大及功能越來越多的低功耗 MCU 設計廠商而言，是十分艱巨的挑戰(zhàn)。

平均功耗

　　在系統(tǒng)級要兼顧低功耗及高效能，必須考慮實際應用面的需求，例如無線環(huán)境感測器可能讓 MCU 主時鐘及 CPU 關閉，只開啟低頻時鐘，定時喚醒周邊電路進行偵測，當符合設定條件的事件發(fā)生時快速啟動 CPU 進行處理，即使沒有任何事件發(fā)生，也必須定時激活 CPU 維持無線感測器網路的連線。在遙控器的應用中，則可能完全將所有時鐘源都關閉，當使用者按鍵時快速喚醒時鐘源及 CPU 進行處理。另外，許多應用都會加入一個MCU作為主機處理器的輔助處理器，用于監(jiān)控鍵盤或紅外線輸入、刷新顯示器、控制主處理器電源以及智慧電池管理等任務。此時平均功耗比單純的運行功耗或待機功耗更具指標性意義。