最詳盡32位MCU低功耗設計考量與經典范例參考（三）

　　LDO 的最低靜態功耗、32.768 kHz 晶振電路、BOD 及 TN LCD 驅動電路的工作電流，都會大大影響到待機或 RTC 模式的功耗指標。以低功耗應用的熱能表為例，RTC 加 LCD 顯示的功耗要求在 3V/8μA 以下，這代表可以預估分配給下列電路的電流預算為：LDO靜態功耗 0.5μA + 32.768 kHz 晶振及RTC電路 1μA + BOD 1μA + TN LCD 驅動 4μA + LCD 玻璃 1μA + 所有數位電路及類比周邊漏電流 0.5μA。這些類比周邊除了低耗電要求，同時必須兼具要求批量生產及溫度變化時的一致性，這對類比設計人員將是一大挑戰。

　　快速喚醒這個性能指標也會影響到下列類比周邊的穩定時間。當 MCU 從低耗電的待機模式喚醒時，首先要將 LDO 快速切換到高供電模式，啟動內部高速 RC 震蕩器，使能嵌入式快閃記憶體及 CPU，以上所有電路的穩定時間總和必須在數個微秒內完成，才能符合快速喚醒的需求。

　　另外一個容易被忽略的設計是周邊電路啟動電流，因為相當多的可攜式裝置采用 CR2032 小型鋰電池，瞬間推動力僅有數 mA，尤其使用一段時間瞬間推動力會更低，當 MCU 被喚醒時果周邊電路啟動電流總和太大時，將會導致 CR2032 輸出電壓驟降而導致 MCU 重置 （Reset） 或工作不正常。為了避免此問題，除了降低周邊電路的啟動電流，另一種方法是分時分段啟動周邊電路，不要集中開啟太多耗電的電路。

平均功耗計算范例

　　為了讓讀者更具體了解平均功耗的計算，以新唐科技的低功耗 32位元 MCU Nano 系列及血糖計應用為例，進行使用年限的預估。新唐的 Nano 系列低功耗 32位元 MCU 的 CPU 內核為Cortex-M0，具有200uA/MHz低運行功耗、待機電流僅需1uA、7uS快速喚醒、多重時鐘訊號來源及多種工作模式，多達 128KB Flash、16K SRAM 及 12位元 ADC、12位元 DAC、SPI、I2C、I2S、UART、LCD、Touch Key 等豐富周邊，符合低功耗、高性能 MCU 應用需求。

　　此血糖計范例采用CR2032 230 mAh電池，使用方式、運行功耗及靜態功耗如下表所示。

　　使用年限的計算方式請參考下表。量測時間比例、顯示時間比例及待機時間比例可由上表求得。例如，量測時間比例為“6 次 x 0.25 分鐘 / （60 x 24） 分鐘 = 0.1%”。其余時間比例依此類推。量測平均電流為“量測時間比例 x （MCU運行耗電流 +外部量測電路耗電流 +待機（含RTC）耗電流 + LCD 耗電流 + CR2032 自放電）”。顯示平均電流為“顯示時間比例 x （待機（含RTC）耗電流 + LCD 耗電流 + CR2032 自放電）”。待機平均電流為“待機時間比例 x （待機（含RTC）耗電流 + CR2032 自放電）”。最后計算出使用年限約為 2.77年。由于待機時間比例高達 99%，故血糖計應用待機電流為延長使用年限最重要的參數。

　　結論

　　低功耗MCU設計是一個需要多面向考慮的復雜工作，本文僅闡述基本設計理念。開發低功耗MCU產品時，不只要挑戰電路設計的高困難度，更要由客戶應用的角度考慮性價比，功能最強的不一定是最好的。往往性價比最適合的才能在市場上取得成功。由于智能電網、物聯網、遠端控制、自動化管理等低功耗高效能應用需求量持續增加，在可以預見的未來，32位元低功耗MCU將逐漸取代8/16位元低功耗MCU，成為市場主流。