32位低功耗MCU设计

待机RAM 保持模式：CPU 内核及所有时钟源关闭，内建LDO 切换到低耗电模式，但是RAM 及 IO 管脚持续供电，维持进入待机之前的状态。

RTC 模式：CPU 内核及高频时钟源关闭，内建LDO 切换到低耗电模式，由于此时 LDO 供电能力降低，仅能提供低耗电的外围电路运行，例如 32.768K 晶振、RTC (实时时钟计数器)、BOD (降压侦测或重置电路)、TN 单色LCD 直接驱动电路等。

深层待机模式：CPU 内核及所有时钟源关闭，关闭 RAM 及LDO、BOD 等所有外围电路的电源，仅IO 管脚(或部分IO管脚)持续供电，由IO管脚或重置 (Reset) 管脚唤醒 CPU.因为此模式下，RAM 的数据已丢失，通常会进行内部电源切割，提供数十个状态记录缓存器作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 100nA ~ 500nA,其缺点是并非所有的应用都可以忍受 RAM 数据丢失及系统重启。

电源系统的考虑

在多电源系统的应用上，必须考虑低功耗 MCU 的内部电源规划或自动切换，以下以市电/备用电池双电源系统及内建 USB 接口，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管脚进行供电，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外围电路，例如 32.768K 晶振、RTC 时钟电路、数据备份寄存器等。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 及部分外围电路会被唤醒工作，然后再次进入待机模式。智能型电表就是此类应用的典型代表。在此种应用中，备用电池需要供电给整颗 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 接口行动装置：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 2.2V 到 3V,当连接到 USB 时，USB接口转由 VBUS 供电。此类低功耗 MCU 如果没有内建 5V 转 3V 的 USB 接口 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 5V 电源转换为 3V 电源同时提供给 MCU VDD 及 USB 接口电路，但又必须避免 LDO 输出的 3V 电源与脱机操作时的电池电源发生冲突，将会需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，需要由外部的单一讯号、键盘或甚至串行通讯信号来激发 MCU 启动整体系统的运作。在未被激发的时候，微控器或甚至大部分的整机需要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，也成为微控器的重要特征。MCU 能拥有各式不同的唤醒方式，包括各I/O 可作为激发唤醒的通道，或是由I2C、UART、SPI的信道作为被外界组件触发唤醒，或使用内、外部的超低耗电时钟源，透过 Timer 来计时唤醒。诸多的唤醒机制，只要运用得当，并配合微控器的低耗电操作切换模式，可以使 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，如果唤醒后开始执行微指令的时间因为某些因素而拖延的很长，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，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。

低功耗模拟外围及内存

低功耗 MCU 在运行时除了 CPU 内核及被致能的数字外围电路在工作外，越来越多被整合到内部的模拟外围电路也是耗电的主要来源。以最简单的 while (1); 执行序来分析运行功耗，共包含下列耗电来源： CPU 内核、时钟振荡器、嵌入式闪存内存、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 3V,LDO 输出 1.8V 供给 CPU 内核、内存及其他数字电路

低功耗 CortexTM-M0内核：600 μA

嵌入式闪存内存：1.5 mA

低功耗12MHz 晶震电路：230 μA

LDO本身的静态消耗电流：70 μA

总和 = 0.6 + 2 + 0.23 + 0.07 = 2.4 mA,平均功耗约 200μA/MHz

其中耗电比例最高的是嵌入式闪存内存。如果要运行在更高频率，通常会启动内建的 PLL 提供更高频率的时钟源，在 1.8V 供电的典型 PLL,12MHz 输入输出 48 MHz工作电流约为 1 ~ 2mA,如果不能有效降低 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、32.768 kHz 晶振电路、BOD 及 TN LCD 驱动电路的工作电流，都会大大影响到待机或 RTC 模式的功耗指针。以低功耗应用的热能表为例，RTC 加 LCD 显示的功耗要求在 3V/8μA 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 0.5μA + 32.768 kHz 晶振及RTC电路 1μA + BOD 1μA + TN LCD 驱动 4μA + LCD 玻璃 1μA + 所有数字电路及模拟外围漏电流 0.5μA.这些模拟外围除了低耗电要求，同时必须兼具要求批量生产及温度变化时的一致性，这对模拟设计人员将是一大挑战。

快速唤醒这个性能指针也会影响到下列模拟外围的稳定时间。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 震荡器，使能嵌入式闪存及 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外围电路启动电流，因为相当多的便携设备采用 CR2032 小型锂电池，瞬间推动力仅有数 mA,尤其使用一段时间瞬间推动力会更低，当 MCU 被唤醒时果外围电路启动电流总和太大时，将会导致 CR2032 输出电压骤降而导致 MCU 重置 (Reset) 或工作不正常。为了避免此问题，除了降低外围电路的启动电流，另一种方法是分时分段启动外围电路，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 MCU Nano 系列及血糖计应用为例，进行使用年限的预估。新唐的 Nano 系列低功耗 32位 MCU 的 CPU 内核为 CortexTM-M0,具有 200uA/MHz 低运行功耗、待机电流仅需1uA、7uS快速唤醒、多重时钟讯号来源及多种工作模式，多达 128 KB Flash、16K SRAM 及 12位 ADC、12位 DAC、SPI、I2C、I2S、UART、LCD、Touch Key 等丰富外围，符合低功耗、高性能 MCU 应用需求。

此血糖计范例采用 CR2032 230 mAh 电池，使用方式、运行功耗及静态功耗如下表所示。

使用年限的计算方式请参考下表。量测时间比例、显示时间比例及待机时间比例可由上表求得。例如，量测时间比例为 “6 次 x 0.25 分钟 / (60 x 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 x (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 x (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 x (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。

结论

低功耗MCU设计是一个需要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才能在市场上取得成功。由于智能电网、物联网、远程控制、自动化管理等低功耗高效能应用需求量持续增加，在可以预见的未来，32位低功耗MCU将逐渐取代8/16位低功耗MCU,成为市场主流。