控制数位电路时脉
对于一般的同步数位电路设计，要使数位单元有效降低操作电流，透过控制时脉的频率或截止不需要的时脉跳动，也是重要的方法。低功耗MCU通常配备丰富的时脉控制单元，可对个别的数位周边单元，依照需求做降频或升频的操作调整，在达到运作能力的同时，用最低的频率来运行。但为了达到更弹性的时脉配置，可能导致CPU内核和周边电路时脉不同步的现象，此时必须仔细考虑电路设计，保证跨时脉领域资料存取的正确性。
另外，为了尽量降低CPU介入处理时间或降低CPU工作频率而节省下来的功耗，可提供直接记忆体存取（DMA）或周边电路相互触发电路进行资料的传递，如定时器（Timer）定时自动触发ADC或DAC，并透过DMA进行资料由ADC到RAM，或者RAM到DAC的搬移，同时在ADC的输入可以增加简单的数位滤波及平滑化电路，如此不须要CPU经常介入处理，也不会因为须要即时处理ADC或DAC事件，导致中断程序占用太多时间，降低系统的即时性及稳定性。
支援多种工作模式
为了配合不同的应用需求，并达到系统平均功耗的最小化，低功耗MCU须要提供多种操作模式，让使用者灵活调配应用，常见的操作模式有下列数种：
．正常运行模式
CPU内核及周边正常工作，能即时改变CPU及周边的工作频率（On the Fly）或关闭不需要的时脉源，以获得最佳的工作效能。
．低频工作模式
CPU内核及周边工作于低频的时脉源，如32.768kHz晶振或内部低频10K电阻电容（RC）振荡器，通常最大的耗电来源，为嵌入式快闪记忆体及LDO本身的耗电流。若此时的执行程序不大，可以考虑将程序运作于RAM，以降低平均功耗。请注意并不是所有MCU都能支援在RAM执行程序。
．Idle模式
CPU内核停止，时脉源和被启动的周边电路持续工作，直到周边电路符合设定条件，唤醒CPU进行资料处理或控制执行流程。通常高频的运行模式，CPU及嵌入式快闪记忆体消耗相当大比例的电流，故闲置（Idle）模式能有效降低平均功耗。
．待机RAM保持模式
CPU内核及所有时脉源关闭，内建LDO切换到低耗电模式，但是RAM及I/O接脚持续供电，维持进入待机之前的状态。
．RTC模式
CPU内核及高频时脉源关闭，内建LDO切换到低耗电模式，由于此时LDO供电能力降低，仅能提供低耗电的周边电路运行，如32.768kHz晶振、即时时脉计数器（RTC）、BOD、TN单色LCD直接驱动电路等。
．深层待机模式
CPU内核及所有时脉源关闭，关闭RAM及LDO、BOD等所有周边电路的电源，仅I/O接脚（或部分I/O接脚）持续供电，由I/O接脚或重置（Reset）接脚唤醒CPU。因为此模式下，RAM的资料已丢失，通常会进行内部电源切割，提供数十个状态记录暂存器，做为系统重启时的初始状态参考源。此模式的优点是更低的静态电流，通常仅需100？500奈安培，其缺点是并非所有的应用都可以忍受RAM资料丢失及系统重启。
电源系统的考量
在多电源系统的应用上，必须考虑低功耗MCU的内部电源规画或自动切换，以下以市电/备用电池双电源系统及内建通用序列汇流排（USB）介面，但平常由电池供电的行动装置来举例说明。
．市电/备用电池双电源系统
MCU平常由市电经由交直流转换电路供电，当市电断电时，经由连接在备用电源的独立供电接脚进行供电，同时在MCU内部进行电源切割，并提供一个可靠的备用电源自动切换开关，确保市电正常供电时备用电池不会持续被消耗。
但仔细考虑，其实有两种状况可能发生，一种是备用电池仅供电给部分低耗电的周边电路，如32.768kHz晶振、RTC时脉电路、资料备份暂存器等。当市电来时，MCU将重新启动；另外一种状况是当市电断电时，有可能MCU及部分周边电路会被唤醒工作，然后再次进入待机模式。智慧型电表就是此类应用的典型代表。在此种应用中，备用电池须要供电给整颗MCU，所以电源自动切换开关必须能承受更高的电流，相对成本也较高。
．内建USB介面行动装置
此类装置平时由两节电池供电或锂电池供电，工作电压可能为2.2？3伏特，当连接到USB时，USB介面转由VBUS供电。此类低功耗MCU如果没有内建5伏特转3伏特的USB介面，LDO将会产生下列问题，当连接USB时，必须由外挂的LDO将USB VBUS的5伏特电源转换为3伏特电源，同时提供给MCU VDD及USB介面电路，但又必须避免LDO输出的3伏特电源，与离线操作时的电池电源发生冲突，将会须要外加电源管理电路，增加系统成本及复杂度。
丰富的唤醒机制及快速唤醒时间
有许多的系统应用场合，须由外部的单一讯号、键盘或甚至串列通讯讯号，激发MCU启动整体系统的运作。在未被激发的时候，MCU或甚至大部分的整机须处于最低耗电的待机状态，以延长电池的寿命。
能够在各式需求下被唤醒，也成为MCU的重要特征。MCU能拥有各式不同的唤醒方式，包括各I/O可做为激发唤醒的通道，或是由内部整合电路（I2C）、通用异步收发器（UART）、串列周边介面（SPI）的通道做为被外界元件触发唤醒，或使用内、外部的超低耗电时脉源，透过计时器来计时唤醒。诸多的唤醒机制，只要运用得当，并配合MCU的低耗电操作切换模式，可使MCU几乎时时处于极低功耗的状况。
配有快速、高效率内核的MCU，可以在每次唤醒的当下短暂时间里，完成应有的运作与反应，并再次进入深层的低待机模式，以此达到平均耗能下降的目的。但是，若唤醒后开始执行微指令的时间因为某些因素而拖延得很长，将会使降低总体耗电的目标大打折扣，甚至达不到系统反应的要求。因此，有些MCU配合起振时间的改进，及逻辑设计的配合，使得唤醒后执行指令的时间至少降到数个微秒之内。低功耗类比周边及记忆体e#
低功耗类比周边及记忆体
低功耗MCU在运行时，除了CPU内核及被启动的数位周边电路在工作外，愈来愈多被整合到内部的类比周边电路亦是耗电的主要来源。以最简单的执行序来分析运行功耗，共包含下列耗电来源：CPU内核、时脉振荡器、嵌入式闪存记忆体及LDO本身的消耗电流。代入以下典型值数据将会更清楚显示各个部分对耗电的影响：
运行频率12MHz，MCU电压3伏特，LDO输出1.8伏特供给CPU内核、记忆体及其他数位电路；低功耗Cortex-M0内核：600微安培；嵌入式快闪记忆体：1.5毫安培；低功耗12MHz晶振电路：230微安培；LDO本身的静态消耗电流：70微安培。
总和=0.6+2+0.23+0.07=2.4毫安培，平均功耗约200μA/MHz。其中耗电比例最高的是嵌入式快闪记忆体。若要运行在更高频率，通常会启动内建的锁相回路（PLL）提供更高频率的时脉源，在1.8伏特供电的典型PLL，12MHz输入输出、48MHz工作电流约为1？2毫安培，若不能有效降低PLL耗电，对高频工作的低功耗MCU将是一大电流负担。
LDO的最低静态功耗、32.768kHz晶振电路、BOD及扭转向列型液晶显示器（TN LCD）驱动电路的工作电流，都会大大影响到待机或RTC模式的功耗指标。以低功耗应用的热能表为例，RTC加LCD显示的功耗要求在3V/8微安培以下，这代表可以预估分配给下列电路的电流预算为：LDO静态功耗0.5微安培+32.768kHz晶振及RTC电路1微安培+BOD1微安培+TN LCD驱动4微安培+LCD玻璃1微安培+所有数位电路及类比周边漏电流0.5微安培。这些类比周边除了低耗电要求，同时必须兼具要求批量生产及温度变化时的一致性，这对类比设计人员将是一大挑战。
快速唤醒这个性能指标也会影响到下列类比周边的稳定时间。当MCU从低耗电的待机模式唤醒时，首先要将LDO快速切换到高供电模式，启动内部高速RC振荡器，使能嵌入式快闪记忆体及CPU，以上所有电路的稳定时间总和必须在数个微秒内完成，才能符合快速唤醒的需求。
另外一个容易被忽略的设计是周边电路启动电流，因为相当多的可携式装置采用CR2032小型锂电池，瞬间推动力仅有数毫安培，尤其使用一段时间瞬间推动力会更低，当MCU被唤醒时，若周边电路启动电流总和太大时，将会导致CR2032输出电压骤降，致使MCU重置（Reset）或工作不正常。为了避免此问题，除了降低周边电路的启动电流，另一种方法是分时分段启动周边电路，不要集中开启太多耗电的电路。
平均功耗计算范例
为了让读者更具体了解平均功耗的计算，以新唐科技的低功耗32位元MCU Nano系列及血糖计应用为例，进行使用年限的预估。
此血糖计范例采用CR2032 230mAh电池，使用方式、运行功耗及静态功耗如表1所示。
使用年限的计算方式请参考表2。量测时间比例、显示时间比例及待机时间比例可由表2求得。例如，量测时间比例为六次×0.25分钟/（60×24）分钟=0.1%。其余时间比例依此类推。量测平均电流为量测时间比例×（MCU运行耗电流+外部量测电路耗电流+待机（含RTC）耗电流+LCD耗电流+CR2032自放电）。显示平均电流为显示时间比例×（待机（含RTC）耗电流+LCD耗电流+CR2032自放电）。待机平均电流为待机时间比例×（待机（含RTC）耗电流+CR2032自放电）。最后计算出使用年限约为2.77年。由于待机时间比例高达99%，故血糖计应用待机电流为延长使用年限最重要的参数。
低功耗MCU开发须兼顾性价比要求
低功耗MCU设计是一个须多面向考虑的复杂工作，本文仅阐述基本设计理念。开发低功耗MCU产品时，不只要挑战电路设计的高困难度，更要由客户应用的角度考虑性价比，功能最强的不一定是最好的，往往性价比最适合的产品，才能在市场上取得成功。由于智慧电网、物联网、远端控制、自动化管理等低功耗、高效能应用需求量持续增加，在可预见的未来，32位元低功耗MCU将逐渐取代8、16位元低功耗MCU，成为市场主流。 |
