待機(jī)RAM 保持模式：CPU 內(nèi)核及所有時(shí)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(jī)之前的狀態(tài)。

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

深層待機(jī)模式：CPU 內(nèi)核及所有時(shí)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?yàn)榇四Ｊ较?，RAM 的數(shù)據(jù)已丟失，通常會(huì)進(jìn)行內(nèi)部電源切割，提供數(shù)十個(gè)狀態(tài)記錄緩存器作為系統(tǒng)重啟時(shí)的初始狀態(tài)參考源。此模式的優(yōu)點(diǎn)是更低的靜態(tài)電流，通常僅需 100nA ~ 500nA,其缺點(diǎn)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(dòng)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(dòng)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(shí)，經(jīng)由連接在備用電源的獨(dú)立供電管腳進(jìn)行供電，同時(shí)在 MCU 內(nèi)部進(jìn)行電源切割，并提供一個(gè)可靠的備用電源自動(dòng)切換開關(guān)，確保市電正常供電時(shí)備用電池不會(huì)持續(xù)被消耗。但仔細(xì)考慮，其實(shí)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(shí)鐘電路、數(shù)據(jù)備份寄存器等。當(dāng)市電來時(shí) MCU 將重新啟動(dòng)。另外一種狀況是當(dāng)市電斷電時(shí)，有可能 MCU 及部分外圍電路會(huì)被喚醒工作，然后再次進(jìn)入待機(jī)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(dòng)切換開關(guān)必須能承受更高的電流，相對(duì)成本也較高。

內(nèi)建 USB 接口行動(dòng)裝置：此類裝置平時(shí)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(shí)，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(huì)產(chǎn)生下列問題，當(dāng)連接 USB 時(shí)必須由外掛的 LDO 將 USB VBUS 的 5V 電源轉(zhuǎn)換為 3V 電源同時(shí)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(jī)操作時(shí)的電池電源發(fā)生沖突，將會(huì)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(jī)制及快速喚醒時(shí)間

有許多的系統(tǒng)應(yīng)用場合，需要由外部的單一訊號(hào)、鍵盤或甚至串行通訊信號(hào)來激發(fā) MCU 啟動(dòng)整體系統(tǒng)的運(yùn)作。在未被激發(fā)的時(shí)候，微控器或甚至大部分的整機(jī)需要處于最低耗電的待機(jī)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(shí)鐘源，透過 Timer 來計(jì)時(shí)喚醒。諸多的喚醒機(jī)制，只要運(yùn)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(shí)時(shí)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(shí)間里，完成應(yīng)有的運(yùn)作與反應(yīng)，并再次進(jìn)入深層的低待機(jī)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(shí)間因?yàn)槟承┮蛩囟涎拥暮荛L，將會(huì)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(shí)間的改進(jìn)，邏輯設(shè)計(jì)的配合，使得喚醒后執(zhí)行指令的時(shí)間至少降到數(shù)個(gè)微秒之內(nèi)。

低功耗模擬外圍及內(nèi)存

低功耗 MCU 在運(yùn)行時(shí)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(yùn)行功耗，共包含下列耗電來源： CPU 內(nèi)核、時(shí)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(huì)更清楚顯示各個(gè)部分對(duì)耗電的影響：

運(yùn)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(yùn)行在更高頻率，通常會(huì)啟動(dòng)內(nèi)建的 PLL 提供更高頻率的時(shí)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(duì)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(dòng)電路的工作電流，都會(huì)大大影響到待機(jī)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(dòng) 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(shí)必須兼具要求批量生產(chǎn)及溫度變化時(shí)的一致性，這對(duì)模擬設(shè)計(jì)人員將是一大挑戰(zhàn)。

快速喚醒這個(gè)性能指針也會(huì)影響到下列模擬外圍的穩(wěn)定時(shí)間。當(dāng) MCU 從低耗電的待機(jī)模式喚醒時(shí)，首先要將 LDO 快速切換到高供電模式，啟動(dòng)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(shí)間總和必須在數(shù)個(gè)微秒內(nèi)完成，才能符合快速喚醒的需求。

另外一個(gè)容易被忽略的設(shè)計(jì)是外圍電路啟動(dòng)電流，因?yàn)橄喈?dāng)多的便攜設(shè)備采用 CR2032 小型鋰電池，瞬間推動(dòng)力僅有數(shù) mA,尤其使用一段時(shí)間瞬間推動(dòng)力會(huì)更低，當(dāng) MCU 被喚醒時(shí)果外圍電路啟動(dòng)電流總和太大時(shí)，將會(huì)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(dòng)電流，另一種方法是分時(shí)分段啟動(dòng)外圍電路，不要集中開啟太多耗電的電路。

平均功耗計(jì)算范例

為了讓讀者更具體了解平均功耗的計(jì)算，以新唐科技的低功耗 32位 MCU Nano 系列及血糖計(jì)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(yùn)行功耗、待機(jī)電流僅需1uA、7uS快速喚醒、多重時(shí)鐘訊號(hào)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(jì)范例采用 CR2032 230 mAh 電池，使用方式、運(yùn)行功耗及靜態(tài)功耗如下表所示。

使用年限的計(jì)算方式請(qǐng)參考下表。量測時(shí)間比例、顯示時(shí)間比例及待機(jī)時(shí)間比例可由上表求得。例如，量測時(shí)間比例為 “6 次 x 0.25 分鐘 / (60 x 24) 分鐘 = 0.1%”.其余時(shí)間比例依此類推。量測平均電流為 “量測時(shí)間比例 x (MCU運(yùn)行耗電流 +外部量測電路耗電流 +待機(jī)(含RTC)耗電流 + LCD 耗電流 + CR2032 自放電)”.顯示平均電流為 “顯示時(shí)間比例 x (待機(jī)(含RTC)耗電流 + LCD 耗電流 + CR2032 自放電)”.待機(jī)平均電流為 “待機(jī)時(shí)間比例 x (待機(jī)(含RTC)耗電流 + CR2032 自放電)”.最后計(jì)算出使用年限約為 2.77年。由于待機(jī)時(shí)間比例高達(dá) 99%,故血糖計(jì)應(yīng)用待機(jī)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(jì)是一個(gè)需要多面向考慮的復(fù)雜工作，本文僅闡述基本設(shè)計(jì)理念。開發(fā)低功耗 MCU 產(chǎn)品時(shí)，不只要挑戰(zhàn)電路設(shè)計(jì)的高困難度，更要由客戶應(yīng)用的角度考慮性價(jià)比，功能最強(qiáng)的不一定是最好的。往往性價(jià)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(dòng)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。