最詳盡32位MCU低功耗設(shè)計(jì)考量與經(jīng)典范例參考（一）

傳統(tǒng)的低功耗MCU設(shè)計(jì)都是以8位MCU為主，因?yàn)?位內(nèi)核閾門相對(duì)較少，運(yùn)行或泄露電流低，售價(jià)也相對(duì)低廉。但是，許多新興的應(yīng)用都需要比8 位元內(nèi)核更大的處理效率。近年智能生活的抬頭、物聯(lián)網(wǎng)的建立，手持式消費(fèi)性電子產(chǎn)品與無(wú)線功能需求越來(lái)越高、設(shè)計(jì)越來(lái)越復(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來(lái)作為平臺(tái)。另一方面，工業(yè)上的智能化也在展開，如遠(yuǎn)端監(jiān)控、數(shù)位化、網(wǎng)路化等。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，就是人物之連結(jié)（云端應(yīng)用）、物物之連結(jié)（物聯(lián)網(wǎng)） 需求越來(lái)越多，導(dǎo)致產(chǎn)品功能越來(lái)越復(fù)雜，運(yùn)算量越來(lái)越高，2009年ARM發(fā)表了32位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(lái)自記憶體大小及類比周邊和 IO 管腳數(shù)量，CPU內(nèi)核的成本差異已大幅縮短，更促進(jìn)了高性價(jià)比32位元低功耗MCU的快速發(fā)展。

　　MCU功耗來(lái)自何處？

　　在開始討論低功耗 MCU 設(shè)計(jì)前，必須先探討 MCU功耗的來(lái)源，其主要由靜態(tài)功耗及運(yùn)行功耗兩部分組成?？紤]實(shí)際的應(yīng)用，最后決定系統(tǒng)功耗性能指標(biāo)則必須計(jì)算平均功耗。

　　運(yùn)行功耗

　　現(xiàn)代 MCU 已整合相當(dāng)多的的類比周邊，不能單純考量數(shù)字電路的動(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)字周邊的動(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(lái)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(dāng)允許傳遞延遲規(guī)格為 1 μs時(shí)，工作電流有機(jī)會(huì)降到個(gè)位數(shù)微安。

　　數(shù)字電路的動(dòng)態(tài)功耗主要來(lái)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） x CL （等效負(fù)載電容） x VDD 2 （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，可以選擇更新近的制程，并透過(guò) LDO 讓 CPU 內(nèi)核、數(shù)字電路及與管腳輸出入電壓無(wú)關(guān)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(xiàng)參數(shù)上，一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的32位MCU更能突顯其效能優(yōu)勢(shì)，除了直覺(jué)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(dá)到相同的效能，進(jìn)而降低整體功耗。另外，如果 MCU 內(nèi)建與操作頻率相關(guān)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(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

　　傳統(tǒng)靜態(tài)功耗的定義是指系統(tǒng)時(shí)鐘源關(guān)閉時(shí)數(shù)字電路的漏電流。但是在混合信號(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(lái)源，包含數(shù)字電路漏電流、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 （例如 LDO、BOD） 及 IO 管腳的漏電流。因?yàn)闀r(shí)鐘源已關(guān)閉，影響靜態(tài)功耗的主要參數(shù)為制程、電壓及溫度。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(dǎo)致低電壓類比周邊設(shè)計(jì)困難。另外，以MCU待機(jī)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(cè)或重置電路） 工作電流總和必須小于 1微安，對(duì)于 Flash，RAM 越來(lái)越大及功能越來(lái)越多的低功耗 MCU 設(shè)計(jì)廠商而言，是十分艱巨的挑戰(zhàn)。

平均功耗

　　在系統(tǒng)級(jí)要兼顧低功耗及高效能，必須考慮實(shí)際應(yīng)用面的需求，例如無(wú)線環(huán)境感測(cè)器可能讓 MCU 主時(shí)鐘及 CPU 關(guān)閉，只開啟低頻時(shí)鐘，定時(shí)喚醒周邊電路進(jìn)行偵測(cè)，當(dāng)符合設(shè)定條件的事件發(fā)生時(shí)快速啟動(dòng) CPU 進(jìn)行處理，即使沒(méi)有任何事件發(fā)生，也必須定時(shí)激活 CPU 維持無(wú)線感測(cè)器網(wǎng)路的連線。在遙控器的應(yīng)用中，則可能完全將所有時(shí)鐘源都關(guān)閉，當(dāng)使用者按鍵時(shí)快速喚醒時(shí)鐘源及 CPU 進(jìn)行處理。另外，許多應(yīng)用都會(huì)加入一個(gè)MCU作為主機(jī)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(wù)。此時(shí)平均功耗比單純的運(yùn)行功耗或待機(jī)功耗更具指標(biāo)性意義。