MCU功耗來自何處

在開始討論低功耗MCU設(shè)計前，必須先探討MCU功耗的來源，其主要由靜態(tài)功耗及運行功耗兩部分組成?？紤]實際的應(yīng)用，最后決定系統(tǒng)功耗性能指針則必須計算平均功耗。

運行功耗

現(xiàn)代 MCU 已整合相當(dāng)多的的模擬外圍，不能單純考慮數(shù)字電路的動態(tài)功耗。MCU 運行時的總功耗由模擬外圍功耗和數(shù)字外圍的動態(tài)功耗相加而得。模擬電路的功耗通常由工作電壓及其性能要求指針來決定，例如 100 ns 傳遞延遲 (Propogation Delay) 的比較器工作電流可能約為 40 微安，當(dāng)允許傳遞延遲規(guī)格為 1 μs 時，工作電流有機會降到個位數(shù)微安。

數(shù)字電路的動態(tài)功耗主要來自開關(guān)頻率、電壓及等效負(fù)載電容，其計算公式如下：

PDynamic (動態(tài)功耗) ~ f (工作頻率) x CL (等效負(fù)載電容) x VDD2 (工作電壓)

由以上公式可以理解到降低動態(tài)功耗最直接的方式為降低工作電壓及工作頻率。但 MCU 實際應(yīng)用面通常要求更寬廣的工作電壓及更高的效能。在降低工作電壓方面，可以選擇更新近的制程，并透過 LDO 讓 CPU 內(nèi)核、數(shù)字電路及與管腳輸出入電壓無關(guān)的模擬外圍在低壓操作，IO 管腳及需要與其他外部電路連接的模擬外圍則在較高的系統(tǒng)電壓操作。如此可以兼顧低功耗及寬工作電壓的需求。在降低工作頻率這項參數(shù)上，一個設(shè)計優(yōu)良的 32 位 MCU更能突顯其效能優(yōu)勢，除了直覺的 MIPS 比較之外，32 位總線也代表更高的數(shù)據(jù)存取帶寬，能以更低的工作頻率達(dá)到相同的效能，進(jìn)而降低整體功耗。另外，如果 MCU 內(nèi)建與操作頻率相關(guān)的模擬外圍，例如石英晶體震蕩電路、嵌入式閃存或電流式 DAC,其電流消耗與轉(zhuǎn)換頻率成正比，也要納入低功耗 MCU 的動態(tài)功耗設(shè)計考慮。

靜態(tài)功耗

傳統(tǒng)靜態(tài)功耗的定義是指系統(tǒng)時鐘源關(guān)閉時數(shù)字電路的漏電流。但是在混合信號低功耗 MCU 的設(shè)計中要同時考慮下列多種漏電流來源，包含數(shù)字電路漏電流、SRAM 漏電流、待機時已關(guān)閉的仿真電路漏電流 (例如 ADC,嵌入式閃存)、待機時不關(guān)閉的仿真電路工作電流 (例如 LDO、BOD) 及 IO 管腳的漏電流。因為時鐘源已關(guān)閉，影響靜態(tài)功耗的主要參數(shù)為制程、電壓及溫度。所以降低靜態(tài)功耗必須選擇超低功耗制程，但是低功耗制程通常伴隨較高的 Vt,導(dǎo)致低電壓模擬外圍設(shè)計困難。另外，以MCU待機電流 1微安的規(guī)格，代表數(shù)字電路漏電 + RAM 保持電流 + LDO 工作電流 + BOD (降壓偵測或重置電路) 工作電流總和必須小于 1微安，對于 Flash,RAM 越來越大及功能越來越多的低功耗 MCU 設(shè)計廠商而言，是十分艱巨的挑戰(zhàn)。

平均功耗

在系統(tǒng)級要兼顧低功耗及高效能，必須考慮實際應(yīng)用面的需求，例如無線環(huán)境傳感器可能讓 MCU 主時鐘及 CPU 關(guān)閉，只開啟低頻時鐘，定時喚醒外圍電路進(jìn)行偵測，當(dāng)符合設(shè)定條件的事件發(fā)生時快速啟動 CPU 進(jìn)行處理，即使沒有任何事件發(fā)生，也必須定時激活 CPU 維持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)機。在遙控器的應(yīng)用中，則可能完全將所有時鐘源都關(guān)閉，當(dāng)用戶按鍵時快速喚醒時鐘源及 CPU 進(jìn)行處理。另外，許多應(yīng)用都會加入一個 MCU 作為主機處理器的協(xié)處理器，用于監(jiān)控鍵盤或紅外線輸入、刷新顯示器、控制主處理器電源以及智能電池管理等任務(wù)。此時平均功耗比單純的運行功耗或待機功耗更具指標(biāo)性意義。

平均功耗由下列主要參數(shù)組合而成： 運行功耗及運行時間，靜待功耗及待機時間，不同運行模式之間的切換時間。茲以下圖進(jìn)行說明：

平均電流 (IAVG) =(I1 x T1+I2 x T2+I3 x T3+I4 x T4+I5 x T5+I6 x T6)/(T1+T2+T3+T4+T5+T6)

因為進(jìn)入待機模式時間很短，忽略此段時間的電流消耗，公式可以簡化為：

均電流 (IAVG) =(I1 x T1+I3 x T3+I4 x T4+I5 x T5+I6 x T6)/(T1+T3+T4+T5+T6)

由以上公式觀察到除了降低運行電流及靜態(tài)待機電流外，降低運行時間、喚醒時間及高低速運行模式切換時間也是降低整機功耗的重要手段。另外，上圖同時指出，低功耗 MCU 支持動態(tài)切換運行時鐘頻率是必要的功能。

低功耗 MCU 設(shè)計考慮

制程選擇

為了達(dá)到低功耗的運作，并能有效地在低耗電待機模式下，達(dá)到極低的待機功耗，可以透過對制程的選擇而站上基本的要求門坎。在不強調(diào)速度極致的某些制程分類，選擇極低組件截止電流制程 (如下圖) 進(jìn)行邏輯閘制作，并進(jìn)行數(shù)字設(shè)計是方法之一。選擇這種策略的額外效益是，通常也能在降低動態(tài)操作電流上，達(dá)到較佳的表現(xiàn)。 另外，由于高溫大幅增加靜態(tài)電流，當(dāng)溫度由攝氏 25度增加到攝氏 85度時，一個典型比例約增加 10 倍的靜態(tài)電流，以非低功耗 0.18 微米制程開發(fā)的 32 位 MCU,邏輯閥門數(shù) 200K、4KB SRAM 在核心電壓 1.8V、攝氏25度的靜態(tài)耗電約為 5 ~ 10 微安，當(dāng)溫度升高到攝氏 85度時，靜待電流將會飆高到 50 ~100 微安。而低功耗制程在攝氏85度僅約 10微安靜態(tài)電流。

低功耗高效能的 CPU 內(nèi)核

早期低功耗 MCU 受限于成本及制程技術(shù)，大都選擇 8 位 CPU 內(nèi)核，但隨著工業(yè)上的智能化也在展開，如遠(yuǎn)程監(jiān)控，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化等。簡單說來，就是人物之連結(jié) (云端應(yīng)用)、物物之連結(jié) (物聯(lián)網(wǎng)) 需求越來越多，導(dǎo)致產(chǎn)品功能越來越復(fù)雜，運算量越來越高，8 位 MCU 已逐漸無法滿足效能需求。 為了兼顧低功耗高效能，選擇適用的 32 位 CPU 內(nèi)核乃大勢所趨。

選擇低功耗 CPU 內(nèi)核，除了單位頻率耗電流外，還需要綜合考慮緊湊的低內(nèi)存代碼，相同功能所需的代碼越長，除了增加內(nèi)存成本，也代表更長的運行時間及功耗。另外，由于軟件開發(fā)成本在后期將會越來越高，大量的參考代碼及更多的第三方開發(fā)商的支持，都可以有效降低軟件的開發(fā)時間及成本。所以選擇一款更多人使用的 CPU 內(nèi)核也是重要的考慮之一ARM CortexTM-M0 閥門數(shù)僅 27K,使用的電量在 1.8V,超低泄漏 180ULL (Ultra Low Leakage) 僅約 50μA/MHz.M0 內(nèi)核采用 Thumb2 指令集架構(gòu)，產(chǎn)生出非常緊湊的低內(nèi)存代碼，進(jìn)一步降低了電源需求。ARM 自 2009 年發(fā)表了 32 位 CortexTM-M0 內(nèi)核以來，包括 NXP、新唐科技、ST、Freescale 等多家國內(nèi)外 MCU 大廠相繼投入 CortexTM-M0 MCU 開發(fā)，不論供貨或者品種的齊全度都已十分成熟，投入 CortexTM-M0 的 MCU 開發(fā)商也在持續(xù)增加中。

低功耗數(shù)字電路

對于一般的同步數(shù)字電路設(shè)計，要使數(shù)字單元有效降低操作電流，透過控制時鐘的頻率或截止不需要的時鐘跳動，也是重要的方法。低功耗MCU通常配備豐富的時鐘控制單元，可對各別的數(shù)字外圍單元，依照需求做降頻或升頻的操作調(diào)整，在達(dá)到運作能力的同時，用最低的頻率來運行。但為了達(dá)到更彈性的時鐘源配置，可能導(dǎo)致 CPU 內(nèi)核和外圍電路時鐘不同步的現(xiàn)象，此時必須仔細(xì)考慮電路設(shè)計，保證跨時鐘領(lǐng)域數(shù)據(jù)存取的正確性。

另外為了盡量降低 CPU 介入處理時間或降低 CPU 工作頻率而節(jié)省下來的功耗，可以提供 DMA 或外圍電路相互觸發(fā)電路進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞，例如 Timer 定時自動觸發(fā) ADC 或 DAC,并透過 DMA 進(jìn)行數(shù)據(jù)由 ADC 到 RAM 或者 RAM 到 DAC 的搬移，同時在 ADC 的輸入可以增加簡單的數(shù)字綠波及平滑化電路，如此不須要 CPU 經(jīng)常介入處理，也不會因為需要實時處理 ADC 或 DAC 事件導(dǎo)致中斷程序占用太多時間，降低系統(tǒng)的實時性及穩(wěn)定性。

支持多種工作模式

為了配合不同的應(yīng)用需求，并達(dá)到系統(tǒng)平均功耗的最小化，低功耗 MCU需要提供多種操作模式，讓用戶靈活調(diào)配應(yīng)用，常見的操作模式有下列數(shù)種：

正常運行模式：CPU 內(nèi)核及外圍正常工作，能實時改變 CPU 及外圍的工作頻率 (On the Fly) 或關(guān)閉不需要的時鐘源以獲得最佳的工作效能。

低頻工作模式：CPU 內(nèi)核及外圍工作于低頻的時鐘源，例如 32.768K 晶震或內(nèi)部低頻 10K RC 震蕩器。通常此時最大的耗電來源為嵌入式閃存及 LDO 本身的耗電流。如果此時的執(zhí)行程序不大，可以考慮將程序運作于 RAM 以降低平均功耗。請注意并不是所有 MCU 都能支持在 RAM 執(zhí)行程序。

Idle 模式：CPU 內(nèi)核停止，時鐘源和被致能的外圍電路持續(xù)工作，直到外圍電路符合設(shè)定條件喚醒 CPU 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或控制執(zhí)行流程。通常高頻的運行模式，CPU 及嵌入式閃存消耗相當(dāng)大比例的電流，故 Idle 模式能有效降低平均功耗。[!--empirenews.page--]

待機RAM 保持模式：CPU 內(nèi)核及所有時鐘源關(guān)閉，內(nèi)建LDO 切換到低耗電模式，但是RAM 及 IO 管腳持續(xù)供電，維持進(jìn)入待機之前的狀態(tài)。

RTC 模式：CPU 內(nèi)核及高頻時鐘源關(guān)閉，內(nèi)建LDO 切換到低耗電模式，由于此時 LDO 供電能力降低，僅能提供低耗電的外圍電路運行，例如 32.768K 晶振、RTC (實時時鐘計數(shù)器)、BOD (降壓偵測或重置電路)、TN 單色LCD 直接驅(qū)動電路等。

深層待機模式：CPU 內(nèi)核及所有時鐘源關(guān)閉，關(guān)閉 RAM 及LDO、BOD 等所有外圍電路的電源，僅IO 管腳(或部分IO管腳)持續(xù)供電，由IO管腳或重置 (Reset) 管腳喚醒 CPU.因為此模式下，RAM 的數(shù)據(jù)已丟失，通常會進(jìn)行內(nèi)部電源切割，提供數(shù)十個狀態(tài)記錄緩存器作為系統(tǒng)重啟時的初始狀態(tài)參考源。此模式的優(yōu)點是更低的靜態(tài)電流，通常僅需 100nA ~ 500nA,其缺點是并非所有的應(yīng)用都可以忍受 RAM 數(shù)據(jù)丟失及系統(tǒng)重啟。

電源系統(tǒng)的考慮

在多電源系統(tǒng)的應(yīng)用上，必須考慮低功耗 MCU 的內(nèi)部電源規(guī)劃或自動切換，以下以市電/備用電池雙電源系統(tǒng)及內(nèi)建 USB 接口，但平常由電池供電的行動裝置來舉例說明。

市電/備用電池雙電源系統(tǒng)：MCU 平常由市電經(jīng)由交直流轉(zhuǎn)換電路供電，當(dāng)市電斷電時，經(jīng)由連接在備用電源的獨立供電管腳進(jìn)行供電，同時在 MCU 內(nèi)部進(jìn)行電源切割，并提供一個可靠的備用電源自動切換開關(guān)，確保市電正常供電時備用電池不會持續(xù)被消耗。但仔細(xì)考慮，其實有兩種狀況可能發(fā)生，一種是備用電池僅供電給部分低耗電的外圍電路，例如 32.768K 晶振、RTC 時鐘電路、數(shù)據(jù)備份寄存器等。當(dāng)市電來時 MCU 將重新啟動。另外一種狀況是當(dāng)市電斷電時，有可能 MCU 及部分外圍電路會被喚醒工作，然后再次進(jìn)入待機模式。智能型電表就是此類應(yīng)用的典型代表。在此種應(yīng)用中，備用電池需要供電給整顆 MCU,所以電源自動切換開關(guān)必須能承受更高的電流，相對成本也較高。

內(nèi)建 USB 接口行動裝置：此類裝置平時由兩節(jié)電池供電或鋰電池供電，工作電壓可能為 2.2V 到 3V,當(dāng)連接到 USB 時，USB接口轉(zhuǎn)由 VBUS 供電。此類低功耗 MCU 如果沒有內(nèi)建 5V 轉(zhuǎn) 3V 的 USB 接口 LDO 將會產(chǎn)生下列問題，當(dāng)連接 USB 時必須由外掛的 LDO 將 USB VBUS 的 5V 電源轉(zhuǎn)換為 3V 電源同時提供給 MCU VDD 及 USB 接口電路，但又必須避免 LDO 輸出的 3V 電源與脫機操作時的電池電源發(fā)生沖突，將會需要外加電源管理電路，增加系統(tǒng)成本及復(fù)雜度。

豐富的喚醒機制及快速喚醒時間

有許多的系統(tǒng)應(yīng)用場合，需要由外部的單一訊號、鍵盤或甚至串行通訊信號來激發(fā) MCU 啟動整體系統(tǒng)的運作。在未被激發(fā)的時候，微控器或甚至大部分的整機需要處于最低耗電的待機狀態(tài)，以延長電池的壽命。能夠在各式需求下被喚醒，也成為微控器的重要特征。MCU 能擁有各式不同的喚醒方式，包括各I/O 可作為激發(fā)喚醒的通道，或是由I2C、UART、SPI的信道作為被外界組件觸發(fā)喚醒，或使用內(nèi)、外部的超低耗電時鐘源，透過 Timer 來計時喚醒。諸多的喚醒機制，只要運用得當(dāng)，并配合微控器的低耗電操作切換模式，可以使 MCU 幾乎時時處于極低功耗的狀況。

配有快速、高效率內(nèi)核的 MCU,可以在每次喚醒的當(dāng)下短暫時間里，完成應(yīng)有的運作與反應(yīng)，并再次進(jìn)入深層的低待機模式，以此達(dá)到平均耗能下降的目的。但是，如果喚醒后開始執(zhí)行微指令的時間因為某些因素而拖延的很長，將會使降低總體耗電的目標(biāo)大打折扣，甚至達(dá)不到系統(tǒng)反應(yīng)的要求。因此，有些 MCU,配合起振時間的改進(jìn)，邏輯設(shè)計的配合，使得喚醒后執(zhí)行指令的時間至少降到數(shù)個微秒之內(nèi)。

低功耗模擬外圍及內(nèi)存

低功耗 MCU 在運行時除了 CPU 內(nèi)核及被致能的數(shù)字外圍電路在工作外，越來越多被整合到內(nèi)部的模擬外圍電路也是耗電的主要來源。以最簡單的 while (1); 執(zhí)行序來分析運行功耗，共包含下列耗電來源： CPU 內(nèi)核、時鐘振蕩器、嵌入式閃存內(nèi)存、及 LDO 本身的消耗電流。代入以下典型值數(shù)據(jù)將會更清楚顯示各個部分對耗電的影響：

運行頻率 12MHz,MCU 電壓 3V,LDO 輸出 1.8V 供給 CPU 內(nèi)核、內(nèi)存及其他數(shù)字電路

低功耗 CortexTM-M0內(nèi)核：600 μA

嵌入式閃存內(nèi)存：1.5 mA

低功耗12MHz 晶震電路：230 μA

LDO本身的靜態(tài)消耗電流：70 μA

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

其中耗電比例最高的是嵌入式閃存內(nèi)存。如果要運行在更高頻率，通常會啟動內(nèi)建的 PLL 提供更高頻率的時鐘源，在 1.8V 供電的典型 PLL,12MHz 輸入輸出 48 MHz工作電流約為 1 ~ 2mA,如果不能有效降低 PLL 耗電，對高頻工作的低功耗 MCU 將是一大電流負(fù)擔(dān)。

LDO 的最低靜態(tài)功耗、32.768 kHz 晶振電路、BOD 及 TN LCD 驅(qū)動電路的工作電流，都會大大影響到待機或 RTC 模式的功耗指針。以低功耗應(yīng)用的熱能表為例，RTC 加 LCD 顯示的功耗要求在 3V/8μA 以下，這代表可以預(yù)估分配給下列電路的電流預(yù)算為：LDO 靜態(tài)功耗 0.5μA + 32.768 kHz 晶振及RTC電路 1μA + BOD 1μA + TN LCD 驅(qū)動 4μA + LCD 玻璃 1μA + 所有數(shù)字電路及模擬外圍漏電流 0.5μA.這些模擬外圍除了低耗電要求，同時必須兼具要求批量生產(chǎn)及溫度變化時的一致性，這對模擬設(shè)計人員將是一大挑戰(zhàn)。

快速喚醒這個性能指針也會影響到下列模擬外圍的穩(wěn)定時間。當(dāng) MCU 從低耗電的待機模式喚醒時，首先要將 LDO 快速切換到高供電模式，啟動內(nèi)部高速 RC 震蕩器，使能嵌入式閃存及 CPU,以上所有電路的穩(wěn)定時間總和必須在數(shù)個微秒內(nèi)完成，才能符合快速喚醒的需求。

另外一個容易被忽略的設(shè)計是外圍電路啟動電流，因為相當(dāng)多的便攜設(shè)備采用 CR2032 小型鋰電池，瞬間推動力僅有數(shù) mA,尤其使用一段時間瞬間推動力會更低，當(dāng) MCU 被喚醒時果外圍電路啟動電流總和太大時，將會導(dǎo)致 CR2032 輸出電壓驟降而導(dǎo)致 MCU 重置 (Reset) 或工作不正常。為了避免此問題，除了降低外圍電路的啟動電流，另一種方法是分時分段啟動外圍電路，不要集中開啟太多耗電的電路。

平均功耗計算范例

為了讓讀者更具體了解平均功耗的計算，以新唐科技的低功耗 32位 MCU Nano 系列及血糖計應(yīng)用為例，進(jìn)行使用年限的預(yù)估。新唐的 Nano 系列低功耗 32位 MCU 的 CPU 內(nèi)核為 CortexTM-M0,具有 200uA/MHz 低運行功耗、待機電流僅需1uA、7uS快速喚醒、多重時鐘訊號來源及多種工作模式，多達(dá) 128 KB Flash、16K SRAM 及 12位 ADC、12位 DAC、SPI、I2C、I2S、UART、LCD、Touch Key 等豐富外圍，符合低功耗、高性能 MCU 應(yīng)用需求。

此血糖計范例采用 CR2032 230 mAh 電池，使用方式、運行功耗及靜態(tài)功耗如下表所示。

使用年限的計算方式請參考下表。量測時間比例、顯示時間比例及待機時間比例可由上表求得。例如，量測時間比例為 “6 次 x 0.25 分鐘 / (60 x 24) 分鐘 = 0.1%”.其余時間比例依此類推。量測平均電流為 “量測時間比例 x (MCU運行耗電流 +外部量測電路耗電流 +待機(含RTC)耗電流 + LCD 耗電流 + CR2032 自放電)”.顯示平均電流為 “顯示時間比例 x (待機(含RTC)耗電流 + LCD 耗電流 + CR2032 自放電)”.待機平均電流為 “待機時間比例 x (待機(含RTC)耗電流 + CR2032 自放電)”.最后計算出使用年限約為 2.77年。由于待機時間比例高達(dá) 99%,故血糖計應(yīng)用待機電流為延長使用年限最重要的參數(shù)。

結(jié)論

低功耗MCU設(shè)計是一個需要多面向考慮的復(fù)雜工作，本文僅闡述基本設(shè)計理念。開發(fā)低功耗 MCU 產(chǎn)品時，不只要挑戰(zhàn)電路設(shè)計的高困難度，更要由客戶應(yīng)用的角度考慮性價比，功能最強的不一定是最好的。往往性價比最適合的才能在市場上取得成功。由于智能電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程控制、自動化管理等低功耗高效能應(yīng)用需求量持續(xù)增加，在可以預(yù)見的未來，32位低功耗MCU將逐漸取代8/16位低功耗MCU,成為市場主流。