突破電路設計桎梏　32位元MCU功耗再降

　　運行、待機和喚醒時(shí)間不容忽視

　　在系統級要兼顧低功耗及高效能，必須考慮實(shí)際應用面的需求，如無(wú)線(xiàn)環(huán)境感測器可能讓MCU主時(shí)脈及CPU關(guān)閉，只開(kāi)啟低頻時(shí)脈，定時(shí)喚醒周邊電路進(jìn)行偵測；當符合設定條件的事件發(fā)生時(shí)，快速啟動(dòng)CPU進(jìn)行處理；即使沒(méi)有任何事件發(fā)生，也必須定時(shí)喚醒CPU，維持無(wú)線(xiàn)感測器網(wǎng)路的連線(xiàn)。

　　在遙控器的應用中，則可能完全將所有時(shí)脈源都關(guān)閉，當使用者按鍵時(shí)，快速喚醒時(shí)脈源及CPU進(jìn)行處理。另外，許多應用都會(huì )加入一個(gè)MCU做為主處理器的輔助處理器，用于監控鍵盤(pán)或紅外線(xiàn)輸入、刷新顯示器、控制主處理器電源及智慧電池管理等任務(wù)。此時(shí)，平均功耗比單純的運行功耗或待機功耗，更具指標性意義。

　　平均功耗由運行功耗和運行時(shí)間、靜態(tài)功耗和待機時(shí)間，以及不同運行模式之間的切換時(shí)間等主要參數組合而成。茲以圖1進(jìn)行說(shuō)明。

　　圖1 不同運行時(shí)間電流大小的變化

　　平均電流（IAVG）=（I1xT1+I2xT2+I3xT3+I4xT4+I5xT5+I6xT6）/（T1+T2+T3+T4+T5+T6）

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

　　平均電流（IAVG）=（I1xT1+I3x 3+I4xT4+I5xT5+I6xT6）/（T1+T3+T4+T5+T6）

　　由以上公式觀(guān)察到，除了降低運行電流及靜態(tài)待機電流外，降低運行時(shí)間、喚醒時(shí)間及高低速運行模式切換時(shí)間，亦為降低整機功耗的重要手段。另外，圖1同時(shí)指出，低功耗MCU支援動(dòng)態(tài)切換運行時(shí)脈頻率是必要的功能。

　　實(shí)現低功耗MCU設計　開(kāi)發(fā)商考量須面面俱到

　　低功耗MCU設計考量包括制程選擇、低功耗/高效能CPU核心、低功耗數位電路、支援多種工作模式、電源系統、豐富的喚醒機制/快速喚醒時(shí)間、低功耗類(lèi)比周邊與記憶體等，以下將進(jìn)一步說(shuō)明之。

　　制程選擇至關(guān)重要

　　為了達到低功耗的運作，并能有效地在低耗電待機模式下，達到極低的待機功耗，制程的選擇極為重要。在不強調速度極致的某些制程分類(lèi)，選擇極低元件截止電流制程（圖2）進(jìn)行邏輯閘制作，并進(jìn)行數位設計是方法之一。

　　圖2 不同制程元件截止和晶片待機電流變化

　　選擇這種策略的額外效益是，通常也能降低動(dòng)態(tài)操作電流，達到較佳的表現。另外，由于高溫大幅增加靜態(tài)電流，當溫度由攝氏25度增加到攝氏85度時(shí)，一個(gè)典型比例約增加十倍的靜態(tài)電流。以非低功耗0.18微米制程，開(kāi)發(fā)邏輯閥門(mén)數200K、4KB SRAM的32位元MCU為例，在核心電壓1.8伏特、攝氏25度的靜態(tài)耗電約為5？10微安培；當溫度升高到攝氏85度時(shí)，靜待電流將會(huì )飆高到50~100微安培；而若采用低功耗制程，在攝氏85度時(shí)，靜態(tài)電流僅約10微安培。