32位低功耗MCU的设计 电子产品, 远程监控, 物联网, 工业, 无线

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关键字：32位低功耗MCU  
1 前言
传统的低功耗MCU设计都是以8位MCU为主，因为8位内核逻辑门数相对较少，运行或泄露电流低，售价也相对低廉。但是，许多新兴的应用都需要比8位内核更大的处理效率。近年智能生活的抬头、物联网的建立，便携式消费性电子产品与无线功能需求越来越高、设计越来越复杂，要提高性能的同时又要兼顾低功耗，需要有一款高性能低功耗的主控MCU来作为平台。另一方面，工业上的智能化也在展开，如远程监控、数字化、网络化等。简单说来，就是人物连接(云端应用)、物物连接(物联网)需求越来越多，导致产品功能越来越复杂，计算量越来越高，2009年ARM发表了32位Cortex-M0内核，提供给MCU厂商一个强而有力的平台，加上工艺微缩技术的进步，嵌入式闪存工艺普及化及降价，主要成本来自内存大小及模拟外设和IO引脚数量，CPU内核的成本差异已大幅缩短，更促进了高性价比32位低功耗MCU的快速发展。

2 MCU功耗来自何处？

在开始讨论低功耗MCU设计前，必须先探讨MCU功耗的来源，其主要由静态功耗及运行功耗两部分组成。考虑实际的应用，最后决定系统功耗性能指针则必须计算平均功耗。

2.1 运行功耗

现代MCU已集成相当多的模拟外设，不能单纯考虑数字电路的动态功耗。MCU运行时的总功耗由模拟外设功耗和数字外设的动态功耗相加而得。模拟电路的功耗通常由工作电压及其性能要求指针来决定，例如100ns传输延迟(Propogation Delay)的比较器工作电流可能约为40微安，当允许传递延迟规格为1μs时，工作电流有机会降到几个微安。

数字电路的动态功耗主要来自开关频率、电压及等效负载电容，其计算公式如下：

PDynamic(动态功耗) ~ f(工作频率) x CL(等效负载电容) x VDD2(工作电压)

由以上公式可以理解到降低动态功耗最直接的方式是降低工作电压及工作频率。但MCU实际应用通常要求更宽广的工作电压及更高的性能。在降低工作电压方面，可以选择更新的工艺，并通过LDO让CPU内核、数字电路及与引脚输入输出电压无关的模拟外设在低压工作，IO引脚及需要与其他外部电路连接的模拟外设则在较高的系统电压工作。如此可以兼顾低功耗及宽工作电压的需求。在降低工作频率这项参数上，一个设计优良的32位MCU更能突显其性能优势，除了直觉的MIPS比较之外，32位总线也代表更高的数据存取带宽，能以更低的工作频率达到相同的性能，进而降低整体功耗。另外，如果MCU内置与工作频率相关的模拟外设，例如石英晶体振荡电路、嵌入式闪存或电流式DAC，其电流消耗与转换频率成正比，也要纳入低功耗MCU的动态功耗设计考虑。

2.2 静态功耗

传统静态功耗的定义是指系统时钟源关闭时数字电路的漏电流。但是在混合信号低功耗MCU的设计中要同时考虑下列多种漏电流来源，包含数字电路漏电流、SRAM漏电流、待机时已关闭的仿真电路漏电流(例如ADC，嵌入式闪存)、待机时不关闭的仿真电路工作电流(例如LDO、BOD)及IO引脚的漏电流。因为时钟源已关闭，影响静态功耗的主要参数为工艺、电压及温度。因此，降低静态功耗必须选择超低功耗工艺，但是低功耗工艺通常伴随较高的Vt，导致低电压模拟外设设计困难。另外，以MCU待机电流1微安的规格，代表数字电路漏电 + RAM保持电流 + LDO工作电流 + BOD(掉电检测或重置电路)工作电流总和必须小于1微安，对于Flash，RAM越来越大及功能越来越多的低功耗MCU设计厂商而言，是十分艰巨的挑战。

2.3 平均功耗

在系统级要兼顾低功耗及高性能，必须考虑实际应用的需求，例如无线环境传感器可能让MCU主时钟及CPU关闭，只开启低频时钟，定时唤醒外围电路进行检测，当符合设定条件的事件发生时快速启动CPU进行处理，即使没有任何事件发生，也必须定时激活CPU维持无线传感器网络的联机。在遥控器的应用中，则可能完全将所有时钟源都关闭，当用户按键时快速唤醒时钟源及CPU进行处理。另外，许多应用都会加入一个MCU作为主机处理器的协处理器，用于监控键盘或红外线输入、刷新显示器、控制主处理器电源以及智能电池管理等任务。此时平均功耗比单纯的运行功耗或待机功耗更具指标性意义。

平均功耗由下列主要参数组合而成：运行功耗及运行时间，静态待机功耗及待机时间，不同运行模式之间的切换时间。兹以下图进行说明：







因为进入待机模式时间很短，忽略此段时间的电流消耗，公式可以简化为：




由以上公式观察到除了降低运行电流及静态待机电流外，降低运行时间、唤醒时间及高低速运行模式切换时间也是降低整机功耗的重要手段。另外，上图同时指出，低功耗MCU支持动态切换运行时钟频率是必要的功能。