突破電路設計桎梏　32位元MCU功耗再降

　　總和=0.6+2+0.23+0.07=2.4毫安培，平均功耗約200μA/MHz。其中耗電比例最高的是嵌入式快閃記憶體。若要運行在更高頻率，通常會啟動內建的鎖相回路（PLL）提供更高頻率的時脈源，在1.8伏特供電的典型PLL，12MHz輸入輸出、48MHz工作電流約為1？2毫安培，若不能有效降低PLL耗電，對高頻工作的低功耗MCU將是一大電流負擔。

　　LDO的最低靜態功耗、32.768kHz晶振電路、BOD及扭轉向列型液晶顯示器（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/8微安培以下，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0.5微安培+32.768kHz晶振及RTC電路1微安培+BOD1微安培+TN LCD驅動4微安培+LCD玻璃1微安培+所有數位電路及類比周邊漏電流0.5微安培。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振蕩器，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，瞬間推動力僅有數毫安培，尤其使用一段時間瞬間推動力會更低，當MCU被喚醒時，若周邊電路啟動電流總和太大時，將會導致CR2032輸出電壓驟降，致使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。

　　此血糖計范例采用CR2032 230mAh電池，使用方式、運行功耗及靜態功耗如表1所示。

　　使用年限的計算方式請參考表2。量測時間比例、顯示時間比例及待機時間比例可由表2求得。例如，量測時間比例為六次×0.25分鐘/（60×24）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×（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×（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×（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。

　　低功耗MCU開發須兼顧性價比要求

　　低功耗MCU設計是一個須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產品，才能在市場上取得成功。由于智慧電網、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。