突破电路设计桎梏　32位元MCU功耗再降

　　总和=0.6+2+0.23+0.07=2.4毫安培，平均功耗约200μA/MHz。其中耗电比例最高的是嵌入式快闪记忆体。若要运行在更高频率，通常会启动内建的锁相回路（PLL）提供更高频率的时脉源，在1.8伏特供电的典型PLL，12MHz输入输出、48MHz工作电流约为1？2毫安培，若不能有效降低PLL耗电，对高频工作的低功耗MCU将是一大电流负担。

　　LDO的最低静态功耗、32.768kHz晶振电路、BOD及扭转向列型液晶显示器（TN LCD）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/8微安培以下，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0.5微安培+32.768kHz晶振及RTC电路1微安培+BOD1微安培+TN LCD驱动4微安培+LCD玻璃1微安培+所有数位电路及类比周边漏电流0.5微安培。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振荡器，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，瞬间推动力仅有数毫安培，尤其使用一段时间瞬间推动力会更低，当MCU被唤醒时，若周边电路启动电流总和太大时，将会导致CR2032输出电压骤降，致使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。

　　此血糖计范例采用CR2032 230mAh电池，使用方式、运行功耗及静态功耗如表1所示。

　　使用年限的计算方式请参考表2。量测时间比例、显示时间比例及待机时间比例可由表2求得。例如，量测时间比例为六次×0.25分钟/（60×24）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×（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×（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×（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。

　　低功耗MCU开发须兼顾性价比要求

　　低功耗MCU设计是一个须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产品，才能在市场上取得成功。由于智慧电网、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。