利用多电压架构在32位MCU上实现高性能和超低功耗待机模式

在提高计算性能和集成更多功能的市场需求驱动下，16位和32位微控制器（MCU）的应用领域在不断扩大。电源电压降低，采用先进的CMOS制造工艺的32位微控制器实现了高性能，缩小了芯片尺寸，这些因素使电池供电的设备也在不断扩大应用范围。

　　不过深亚微米技术存在一个重大缺陷，就是泄漏电流非常高。这是一个严重的问题，对电量有限的电池供电应用影响特别大。为了克服这个缺陷，新的32位微控制器(包括通用微控制器)必须具有能效非常高的超低功耗模式，以延长待机使用时间。

　　静态电流可能是产生电池供电应用功耗的主要原因，本文主要介绍创新的STM32 ARM Cortex-M3内核微控制器如何实现低功耗模式以及最大限度降低泄漏电流对电池供电应用的影响。

　　泄漏电流

　　泄漏电流是CMOS晶体管栅极在静态(无开关操作)下存在的连续电流，产生泄漏电流的原因有多个，每个缩减芯片尺寸的新技术都会提高泄漏电流。泄漏电流主要是由栅极、亚阈压和结隧道三种泄漏电流组成，参见图1。

　　亚阈压泄漏电流是由亚阈压降低引起的，每一代新技术降低电压时都需要降低阈压；栅极泄漏电流是由栅极氧化层厚度降低造成的，降低栅极氧化层厚度是降低“短沟道”效应；结隧道泄漏电流是由反向偏置P-N结(电子隧道)上的电场引起的。

　　因为亚阈压泄漏电流随温度升高而以幂数形式升高，所以泄漏电流随温度升高而增加，温度与泄漏电流的关系曲线如图2所示。在没有开关操作的状态下，采用先进制造工艺的32位微控制器在通常的环境温度下能够把静态电流限制到几微安。然而这种强度的静态电流还会随温度升高而增加，在125℃时甚至会超过1mA，基于这个原因，考虑到最高应用温度下的泄漏电流是非常重要的。

　　虽然目前存在几种技术能够限制一个数字单元的泄漏电流(延长多晶硅的长度，超过技术准许的最短长度；提高晶体管上的氧化层厚度)，但是这些技术会影响数字单元的时间延迟。如果在一个完整的核心逻辑内使用这样的单元，会影响芯片的性能。

　　从结构的角度看，数字逻辑电路和存储器是导致泄漏电流增加的主要原因。除了因为尺寸缩小而引起泄漏电流提高的原因外，新一代8位、16位和32位微控制器还大幅度提高了数字逻辑门的数量和存储器的容量，所以，泄漏电流是采用最新半导体工艺的通用微控制器亟待解决的一个主要问题，因为电池电量有限，电池供电应用需要对这个问题给予特殊考虑。

　　泄漏电流对电池使用时间的影响

　　当平均运行电流相对于待机电流变得很小时，静态电流消耗是引起平均电流功耗的一个主要原因。

　　如果电池提供的电量已确定，我们就可以快速估算出设备的电池使用时间(不考虑Peukert法则中的电池电容的非线性)，见下式。

　　其中，Irun是运行电流，单位是mA；Istdby是待机电流，单位是mA；Eb是电池容量，单位是mAH；Trs是待机模式下的相对使用时间，取值范围是0~1。

　　以STM32 128kB闪存微控制器为例，在所有外设开启的条件下，72MHz的运行电流的典型值仅为36mA(0.5mA/MHz)，这要归功于ARM Cortex-M3架构和低功耗设计方法。不过，因为采用了先进的制造工艺，泄漏电流到了55℃时会明显增加。但是，静态电流在55℃时仍然能够限制到50mA，这归功于一个超低功耗的电压监控器及稳压器。与运行功耗相比，这个数值非常小，可以忽视不计。但是，如果应用系统每天只运行一分钟，则静态电流功耗则在总功耗中占很大比例(64%)。为了解决这个问题，STM32的设计工程师们在架构层上实现了一个内置稳压器、几个独立的电压区和集成电源开关，由此实现的低功耗模式可以根据应用优化电池使用时间。

　　实现超低功耗待机

　　一个微控制器的总功耗是动态功耗（CMOS栅极的开关操作）与静态电流功耗（泄漏电流和静态模拟电流功耗）的总合。静态电流是引起功耗的一个主要原因，停止时钟运行，消除所有动态功耗，对于电池供电应用显然不是一个有效的待机状态。即便在停止时钟时降低内核电压，对实现有效的待机模式也没有太大的帮助。为实现超低功耗待机模式，必须关闭大部分的内核逻辑器件(和存储器)的电源。

　　为了做到这一点，可以在器件上做出两个由内部稳压器供电的电压区，一个是供给低功率控制器的始终导通的小面积电压区，另外一个是为了在待机模式下关闭而通过一个开关驱动所有其它功能的“主内核”电压区。因此，在主内核电压区可以专注于处理性能，而在“始终导通”电压区内限制泄漏电流(静态电流)却十分重要。

　　不过，在这两个电压区内，内部稳压器在待机模式下必须始终保持通态，这预示会产生一股巨大的静态电流。因此，最好停止嵌入式稳压器的运行，以便达到一个超低的待机电源电流。

　　STM32按以下方式实现这两个电压区，其框架如图3所示。

　　●VDD后备主电压

区基于静态电流非常低的厚氧化层高压晶体管技术。因为有了高压晶体管，这个电压区可以直接由主VDD电压供电。该电压区包括低功率模式控制器和功率极低的看门狗，以及相关的低功率RC振荡器和一个门数量优化的逻辑电路;
　　●主内核从电压区包括限制在低压下的所有其它功能(CPU内核、大多数外设和存储器)，主要用于提高性能，降低动态功耗。

　　有了这两个电压区，STM32F103能够提供一个功耗极低的安全待机模式，在3.3V电压下典型电流为2mA，这是电压监控器所消耗的电流，这个监控器是为确保待机模式与运行模式一样可靠而监控主电源电压的。因为泄漏电流可以限制在很低水平，所以在85℃和3.3V条件下，器件随温度升高而增加的待机电流被限制在2.4mA。

　　我们也可以在主电压域内实现动态降低功耗的功能，例如，STM32包括一个独立的超低功耗的看门狗，该看门狗在待机模式下工作，总增加功耗(专用RC振荡器和看门狗的数字功耗)在3.3V电压下仅1mA。如果在待机模式下出现一个意外输入，这个功能则可以防止应用失效。