突破电路设计桎梏　32位元MCU功耗再降

物联网与智慧生活风潮兴起，带动市场对高效能且低功耗的32位元微控制器（MCU）需求增温，因此微控制器业者已积极从制程和中央处理器（CPU）核心选择，以及电路设计等层面着手，以降低动态与静态功耗，并兼顾整体运算效能。

　　传统的低功耗微控制器（MCU）设计都是以8位元MCU为主，因为8位元内核阈门相对较少，运行或泄露的电流低，售价也相对低廉。然而，许多新兴的应用皆需要比8位元内核更大的处理效率。

　　近年智慧生活的抬头、物联网的兴起，手持式消费性电子产品与无线功能需求愈来愈高、设计愈来愈复杂，要提高性能的同时又要兼顾低功耗，需要有一高性能、低功耗的主控MCU做为平台。此外，工业上的智慧化也在展开，如远端监控、数位化、网路化等。简言之，云端应用和物联网需求越来越多，已导致产品功能愈来愈复杂，运算需求愈来愈高。

　　2009年安谋国际（ARM）发表32位元Cortex-M0内核，提供MCU厂商一个强而有力的平台，加上制程微缩技术的进步，嵌入式快闪记忆体制程普及化及降价，主要成本来自记忆体大小及类比周边和输入输出（I/O）接脚数量，中央处理器（CPU）内核的成本差异已大幅缩短，更促进高性价比32位元低功耗MCU的快速发展。

　　运行与静态耗电量组成MCU功耗

　　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。实际的应用，须藉由计算平均功耗，决定最后系统功耗性能指标。

　　动态功耗与工作电压和频率相关

　　现代MCU已整合相当多的类比周边，不能单纯考量数位电路的动态功耗。MCU运行时的总功耗，由类比周边功耗和数位周边的动态功耗相加而得。类比电路的功耗通常由工作电压及其性能要求指标来决定，如100奈秒传递延迟（Propagation Delay）的比较器工作电流可能约为40微安培；当允许传递延迟规格为1微秒时，工作电流有机会降到个位数微安培。

　　数位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）xCL（等效负载电容）xVDD2（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，为降低工作电压及工作频率，但MCU实际应用面通常要求更宽广的工作电压及更高的效能。在降低工作电压方面，可以选择更先进的制程，并透过线性稳压器（LDO）让CPU内核、数位电路及与接脚输出入电压无关的类比周边在低压操作；I/O接脚及须与其他外部电路连接的类比周边，则在较高的系统电压操作，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位元MCU更能突显其效能优势，除了直觉的每秒可执行多少百万指令（MIPS）比较之外，32位元汇流排也代表更高的资料存取频宽，能以更低的工作频率达到相同的效能，进而降低整体功耗。另外，若MCU内建与操作频率相关的类比周边，例如石英晶体振荡电路、嵌入式快闪记忆体或电流式数位类比转换器（DAC），其电流消耗与转换频率成正比，也要纳入低功耗MCU的动态功耗设计考量。

　　静态功耗缩减挑战重重

　　传统静态功耗的定义是指系统时脉源关闭时，数位电路的漏电流，但是在混合讯号低功耗MCU的设计中，要同时考虑下列多种漏电流来源，包含数位电路漏电流、静态随机存取记忆体（SRAM）漏电流、待机时已关闭的模拟电路漏电流（例如ADC、嵌入式快闪记忆体）、待机时不关闭的模拟电路工作电流（如LDO、电压不足侦测（BOD））及I/O接脚的漏电流。

　　由于时脉源已关闭，影响静态功耗的主要参数为制程、电压及温度。也因此，降低静态功耗必须选择超低功耗制程，但是低功耗制程通常伴随较高的Vt，导致低电压类比周边设计困难。另外，以MCU待机电流1微安培的规格，代表数位电路漏电+随机存取记忆体（RAM）保持电流+LDO工作电流+降压侦测或重置电路（BOD）工作电流总和必须小于1微安培，对于快闪记忆体、RAM越来越大，及功能越来越多的低功耗MCU设计厂商而言，是十分艰钜的挑战。

　　运行、待机和唤醒时间不容忽视

　　在系统级要兼顾低功耗及高效能，必须考虑实际应用面的需求，如无线环境感测器可能让MCU主时脉及CPU关闭，只开启低频时脉，定时唤醒周边电路进行侦测；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，也必须定时唤醒CPU，维持无线感测器网路的连线。

　　在遥控器的应用中，则可能完全将所有时脉源都关闭，当使用者按键时，快速唤醒时脉源及CPU进行处理。另外，许多应用都会加入一个MCU做为主处理器的辅助处理器，用于监控键盘或红外线输入、刷新显示器、控制主处理器电源及智慧电池管理等任务。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。

　　平均功耗由运行功耗和运行时间、静态功耗和待机时间，以及不同运行模式之间的切换时间等主要参数组合而成。兹以图1进行说明。

　　图1 不同运行时间电流大小的变化

　　平均电流（IAVG）=（I1xT1+I2xT2+I3xT3+I4xT4+I5xT5+I6xT6）/（T1+T2+T3+T4+T5+T6）

　　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：

　　平均电流（IAVG）=（I1xT1+I3x 3+I4xT4+I5xT5+I6xT6）/（T1+T3+T4+T5+T6）

　　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，亦为降低整机功耗的重要手段。另外，图1同时指出，低功耗MCU支援动态切换运行时脉频率是必要的功能。

　　实现低功耗MCU设计　开发商考量须面面俱到

　　低功耗MCU设计考量包括制程选择、低功耗/高效能CPU核心、低功耗数位电路、支援多种工作模式、电源系统、丰富的唤醒机制/快速唤醒时间、低功耗类比周边与记忆体等，以下将进一步说明之。

　　制程选择至关重要

　　为了达到低功耗的运作，并能有效地在低耗电待机模式下，达到极低的待机功耗，制程的选择极为重要。在不强调速度极致的某些制程分类，选择极低元件截止电流制程（图2）进行逻辑闸制作，并进行数位设计是方法之一。

　　图2 不同制程元件截止和晶片待机电流变化

　　选择这种策略的额外效益是，通常也能降低动态操作电流，达到较佳的表现。另外，由于高温大幅增加静态电流，当温度由摄氏25度增加到摄氏85度时，一个典型比例约增加十倍的静态电流。以非低功耗0.18微米制程，开发逻辑阀门数200K、4KB SRAM的32位元MCU为例，在核心电压1.8伏特、摄氏25度的静态耗电约为5？10微安培；当温度升高到摄氏85度时，静待电流将会飙高到50~100微安培；而若采用低功耗制程，在摄氏85度时，静态电流仅约10微安培。

　　选用低功耗/高效能的CPU内核

　　早期低功耗MCU受限于成本及制程技术，大都选择8位元CPU内核，但随着工业智慧化的发展，导致产品功能更加复杂，运算量更高，8位元MCU已逐渐无法满足效能需求；为了兼顾低功耗高效能，选择适用的32位元CPU内核乃大势所趋。

　　选择低功耗CPU内核，除了单位频率耗电流外，还须要综合考量小容量的低记忆体代码，相同功能所需的代码越长，除了增加记忆体成本，也代表更长的运行时间及功耗。另外，由于软体开发成本在后期将会越来越高，大量的参考代码及更多的第三方开发商的支持，均可有效降低软体的开发时间及成本。也因此，选择一款更多人使用的CPU内核也是重要的考量之一。

　　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。
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　　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。