利用多電壓架構在32位MCU上實(shí)現高性能和超低功耗待機模式

在提高計算性能和集成更多功能的市場(chǎng)需求驅動(dòng)下，16位和32位微控制器（MCU）的應用領(lǐng)域在不斷擴大。電源電壓降低，采用先進(jìn)的CMOS制造工藝的32位微控制器實(shí)現了高性能，縮小了芯片尺寸，這些因素使電池供電的設備也在不斷擴大應用范圍。

　　不過(guò)深亞微米技術(shù)存在一個(gè)重大缺陷，就是泄漏電流非常高。這是一個(gè)嚴重的問(wèn)題，對電量有限的電池供電應用影響特別大。為了克服這個(gè)缺陷，新的32位微控制器(包括通用微控制器)必須具有能效非常高的超低功耗模式，以延長(cháng)待機使用時(shí)間。

　　靜態(tài)電流可能是產(chǎn)生電池供電應用功耗的主要原因，本文主要介紹創(chuàng )新的STM32 ARM Cortex-M3內核微控制器如何實(shí)現低功耗模式以及最大限度降低泄漏電流對電池供電應用的影響。

　　泄漏電流

　　泄漏電流是CMOS晶體管柵極在靜態(tài)(無(wú)開(kāi)關(guān)操作)下存在的連續電流，產(chǎn)生泄漏電流的原因有多個(gè)，每個(gè)縮減芯片尺寸的新技術(shù)都會(huì )提高泄漏電流。泄漏電流主要是由柵極、亞閾壓和結隧道三種泄漏電流組成，參見(jiàn)圖1。

　　亞閾壓泄漏電流是由亞閾壓降低引起的，每一代新技術(shù)降低電壓時(shí)都需要降低閾壓；柵極泄漏電流是由柵極氧化層厚度降低造成的，降低柵極氧化層厚度是降低“短溝道”效應；結隧道泄漏電流是由反向偏置P-N結(電子隧道)上的電場(chǎng)引起的。

　　因為亞閾壓泄漏電流隨溫度升高而以?xún)鐢敌问缴?，所以泄漏電流隨溫度升高而增加，溫度與泄漏電流的關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示。在沒(méi)有開(kāi)關(guān)操作的狀態(tài)下，采用先進(jìn)制造工藝的32位微控制器在通常的環(huán)境溫度下能夠把靜態(tài)電流限制到幾微安。然而這種強度的靜態(tài)電流還會(huì )隨溫度升高而增加，在125℃時(shí)甚至會(huì )超過(guò)1mA，基于這個(gè)原因，考慮到最高應用溫度下的泄漏電流是非常重要的。

　　雖然目前存在幾種技術(shù)能夠限制一個(gè)數字單元的泄漏電流(延長(cháng)多晶硅的長(cháng)度，超過(guò)技術(shù)準許的最短長(cháng)度；提高晶體管上的氧化層厚度)，但是這些技術(shù)會(huì )影響數字單元的時(shí)間延遲。如果在一個(gè)完整的核心邏輯內使用這樣的單元，會(huì )影響芯片的性能。

　　從結構的角度看，數字邏輯電路和存儲器是導致泄漏電流增加的主要原因。除了因為尺寸縮小而引起泄漏電流提高的原因外，新一代8位、16位和32位微控制器還大幅度提高了數字邏輯門(mén)的數量和存儲器的容量，所以，泄漏電流是采用最新半導體工藝的通用微控制器亟待解決的一個(gè)主要問(wèn)題，因為電池電量有限，電池供電應用需要對這個(gè)問(wèn)題給予特殊考慮。

　　泄漏電流對電池使用時(shí)間的影響

　　當平均運行電流相對于待機電流變得很小時(shí)，靜態(tài)電流消耗是引起平均電流功耗的一個(gè)主要原因。

　　如果電池提供的電量已確定，我們就可以快速估算出設備的電池使用時(shí)間(不考慮Peukert法則中的電池電容的非線(xiàn)性)，見(jiàn)下式。

　　其中，Irun是運行電流，單位是mA；Istdby是待機電流，單位是mA；Eb是電池容量，單位是mAH；Trs是待機模式下的相對使用時(shí)間，取值范圍是0~1。

　　以STM32 128kB閃存微控制器為例，在所有外設開(kāi)啟的條件下，72MHz的運行電流的典型值僅為36mA(0.5mA/MHz)，這要歸功于A(yíng)RM Cortex-M3架構和低功耗設計方法。不過(guò)，因為采用了先進(jìn)的制造工藝，泄漏電流到了55℃時(shí)會(huì )明顯增加。但是，靜態(tài)電流在55℃時(shí)仍然能夠限制到50mA，這歸功于一個(gè)超低功耗的電壓監控器及穩壓器。與運行功耗相比，這個(gè)數值非常小，可以忽視不計。但是，如果應用系統每天只運行一分鐘，則靜態(tài)電流功耗則在總功耗中占很大比例(64%)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，STM32的設計工程師們在架構層上實(shí)現了一個(gè)內置穩壓器、幾個(gè)獨立的電壓區和集成電源開(kāi)關(guān)，由此實(shí)現的低功耗模式可以根據應用優(yōu)化電池使用時(shí)間。

　　實(shí)現超低功耗待機

　　一個(gè)微控制器的總功耗是動(dòng)態(tài)功耗（CMOS柵極的開(kāi)關(guān)操作）與靜態(tài)電流功耗（泄漏電流和靜態(tài)模擬電流功耗）的總合。靜態(tài)電流是引起功耗的一個(gè)主要原因，停止時(shí)鐘運行，消除所有動(dòng)態(tài)功耗，對于電池供電應用顯然不是一個(gè)有效的待機狀態(tài)。即便在停止時(shí)鐘時(shí)降低內核電壓，對實(shí)現有效的待機模式也沒(méi)有太大的幫助。為實(shí)現超低功耗待機模式，必須關(guān)閉大部分的內核邏輯器件(和存儲器)的電源。

　　為了做到這一點(diǎn)，可以在器件上做出兩個(gè)由內部穩壓器供電的電壓區，一個(gè)是供給低功率控制器的始終導通的小面積電壓區，另外一個(gè)是為了在待機模式下關(guān)閉而通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)驅動(dòng)所有其它功能的“主內核”電壓區。因此，在主內核電壓區可以專(zhuān)注于處理性能，而在“始終導通”電壓區內限制泄漏電流(靜態(tài)電流)卻十分重要。

　　不過(guò)，在這兩個(gè)電壓區內，內部穩壓器在待機模式下必須始終保持通態(tài)，這預示會(huì )產(chǎn)生一股巨大的靜態(tài)電流。因此，最好停止嵌入式穩壓器的運行，以便達到一個(gè)超低的待機電源電流。

　　STM32按以下方式實(shí)現這兩個(gè)電壓區，其框架如圖3所示。

　　●VDD后備主電壓

區基于靜態(tài)電流非常低的厚氧化層高壓晶體管技術(shù)。因為有了高壓晶體管，這個(gè)電壓區可以直接由主VDD電壓供電。該電壓區包括低功率模式控制器和功率極低的看門(mén)狗，以及相關(guān)的低功率RC振蕩器和一個(gè)門(mén)數量?jì)?yōu)化的邏輯電路;
　　●主內核從電壓區包括限制在低壓下的所有其它功能(CPU內核、大多數外設和存儲器)，主要用于提高性能，降低動(dòng)態(tài)功耗。

　　有了這兩個(gè)電壓區，STM32F103能夠提供一個(gè)功耗極低的安全待機模式，在3.3V電壓下典型電流為2mA，這是電壓監控器所消耗的電流，這個(gè)監控器是為確保待機模式與運行模式一樣可靠而監控主電源電壓的。因為泄漏電流可以限制在很低水平，所以在85℃和3.3V條件下，器件隨溫度升高而增加的待機電流被限制在2.4mA。

　　我們也可以在主電壓域內實(shí)現動(dòng)態(tài)降低功耗的功能，例如，STM32包括一個(gè)獨立的超低功耗的看門(mén)狗，該看門(mén)狗在待機模式下工作，總增加功耗(專(zhuān)用RC振蕩器和看門(mén)狗的數字功耗)在3.3V電壓下僅1mA。如果在待機模式下出現一個(gè)意外輸入，這個(gè)功能則可以防止應用失效。