突破电路设计桎梏　32位元MCU功耗再降

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