32位低功耗MCU设计

吴工软件开发 · 发表于 2019-1-25 16:14:04

32位低功耗MCU设计

前言

传统的低功耗 MCU 设计都是以8位MCU为主，因为8 位内核阈门相对较少，运行或泄露电流低，售价也相对低廉。但是，许多新兴的应用都需要比8位内核更大的处理效率。近年智慧生活的抬头、物联网的建立，手持式消费性电子产品与无线功能需求越来越高、设计越来越复杂，要提高性能的同时又要兼顾低功耗，需要有一高性能低功耗的主控 MCU 来作为平台。另一方面，工业上的智能化也在展开，如远程监控、数字化、网络化等。简单说来，就是人物之连结 (云端应用)、物物之连结 (物联网) 需求越来越多，导致产品功能越来越复杂，运算量越来越高，2009 年 ARM 发表了 32 位 CortexTM-M0 内核，提供 MCU 厂商一个强而有力的平台，加上制程微缩技术的进步，嵌入式闪存制程普及化及降价，主要成本来自内存大小及模拟外围和IO管脚数量，CPU内核的成本差异已大幅缩短，更促进了高性价比 32 位低功耗 MCU 的快速发展。

MCU功耗来自何处

在开始讨论低功耗MCU设计前，必须先探讨MCU功耗的来源，其主要由静态功耗及运行功耗两部分组成。考虑实际的应用，最后决定系统功耗性能指针则必须计算平均功耗。

运行功耗

现代 MCU 已整合相当多的的模拟外围，不能单纯考虑数字电路的动态功耗。MCU 运行时的总功耗由模拟外围功耗和数字外围的动态功耗相加而得。模拟电路的功耗通常由工作电压及其性能要求指针来决定，例如 100 ns 传递延迟 (Propogation Delay) 的比较器工作电流可能约为 40 微安，当允许传递延迟规格为 1 μs 时，工作电流有机会降到个位数微安。

数字电路的动态功耗主要来自开关频率、电压及等效负载电容，其计算公式如下：

PDynamic (动态功耗) ~ f (工作频率) x CL (等效负载电容) x VDD2 (工作电压)

由以上公式可以理解到降低动态功耗最直接的方式为降低工作电压及工作频率。但 MCU 实际应用面通常要求更宽广的工作电压及更高的效能。在降低工作电压方面，可以选择更新近的制程，并透过 LDO 让 CPU 内核、数字电路及与管脚输出入电压无关的模拟外围在低压操作，IO 管脚及需要与其他外部电路连接的模拟外围则在较高的系统电压操作。如此可以兼顾低功耗及宽工作电压的需求。在降低工作频率这项参数上，一个设计优良的 32 位 MCU更能突显其效能优势，除了直觉的 MIPS 比较之外，32 位总线也代表更高的数据存取带宽，能以更低的工作频率达到相同的效能，进而降低整体功耗。另外，如果 MCU 内建与操作频率相关的模拟外围，例如石英晶体震荡电路、嵌入式闪存或电流式 DAC，其电流消耗与转换频率成正比，也要纳入低功耗 MCU 的动态功耗设计考虑。

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 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 MCU 的 CPU 内核为 CortexTM-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 128 KB Flash、16K SRAM 及 12位 ADC、12位 DAC、SPI、I2C、I2S、UART、LCD、Touch Key 等丰富外围，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。

file:///C:\Users\xyd\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA4B0.tmp.png

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。

file:///C:\Users\xyd\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA4B1.tmp.png

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、远程控制、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位低功耗MCU将逐渐取代8/16位低功耗MCU，成为市场主流。