最详尽32位MCU低功耗设计考量与经典范例参考
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/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 + 所有数位电路及类比周边漏电流 0.5μA。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 震荡器,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 mA,尤其使用一段时间瞬间推动力会更低,当 MCU 被唤醒时果周边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。新唐的 Nano 系列低功耗 32位元 MCU 的 CPU 内核为Cortex-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 128KB Flash、16K SRAM 及 12位元 ADC、12位元 DAC、SPI、I2C、I2S、UART、LCD、Touch Key 等丰富周边,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,在可以预见的未来,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。
- 32位MCU将成主流SoC应用平台,您准备好了吗?(07-02)
- DALI通信设计压力山大?32位MCU挑大梁(08-03)
- 体感遥控器设计遭遇瓶颈?用STM32 MCU造!(08-11)
- 工程师应该掌握的STM32单片机关键基础精华(03-15)
- 低成本ARM 32位MCU,开发人员面临的两种选择(04-28)
- 开发工程师的创意变戏法:8位MCU变身32位MCU?!(04-30)