最詳盡32位MCU低功耗設(shè)計(jì)考量與經(jīng)典范例參考（三）

電源系統(tǒng)的考量

　　在多電源系統(tǒng)的應(yīng)用上，必須考慮低功耗 MCU 的內(nèi)部電源規(guī)劃或自動(dòng)切換，以下以市電/備用電池雙電源系統(tǒng)及內(nèi)建 USB 介面，但平常由電池供電的行動(dòng)裝置來(lái)舉例說(shuō)明。

　　市電/備用電池雙電源系統(tǒng)：MCU 平常由市電經(jīng)由交直流轉(zhuǎn)換電路供電，當(dāng)市電斷電時(shí)，經(jīng)由連接在備用電源的獨(dú)立供電管腳進(jìn)行供電，同時(shí)在 MCU 內(nèi)部進(jìn)行電源切割，并提供一個(gè)可靠的備用電源自動(dòng)切換開關(guān)，確保市電正常供電時(shí)備用電池不會(huì)持續(xù)被消耗。但仔細(xì)考慮，其實(shí)有兩種狀況可能發(fā)生，一種是備用電池僅供電給部分低耗電的周邊電路，例如 32.768K 晶振、RTC 時(shí)鐘電路、資料備份寄存器等。當(dāng)市電來(lái)時(shí) MCU 將重新啟動(dòng)。另外一種狀況是當(dāng)市電斷電時(shí)，有可能 MCU 及部分周邊電路會(huì)被喚醒工作，然后再次進(jìn)入待機(jī)模式。智慧型電表就是此類應(yīng)用的典型代表。在此種應(yīng)用中，備用電池需要供電給整顆 MCU，所以電源自動(dòng)切換開關(guān)必須能承受更高的電流，相對(duì)成本也較高。

　　內(nèi)建 USB 介面行動(dòng)裝置：此類裝置平時(shí)由兩節(jié)電池供電或鋰電池供電，工作電壓可能為 2.2V 到 3V，當(dāng)連接到 USB 時(shí)，USB介面轉(zhuǎn)由 VBUS 供電。此類低功耗 MCU 如果沒(méi)有內(nèi)建 5V 轉(zhuǎn) 3V 的 USB 介面 LDO將會(huì)產(chǎn)生下列問(wèn)題，當(dāng)連接 USB 時(shí)必須由外掛的 LDO 將 USB VBUS 的 5V 電源轉(zhuǎn)換為 3V 電源同時(shí)提供給 MCU VDD及 USB 介面電路，但又必須避免 LDO 輸出的 3V 電源與離線操作時(shí)的電池電源發(fā)生沖突，將會(huì)需要外加電源管理電路，增加系統(tǒng)成本及復(fù)雜度。

　　豐富的喚醒機(jī)制及快速喚醒時(shí)間

　　有許多的系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合，需要由外部的單一訊號(hào)、鍵盤或甚至串列通訊信號(hào)來(lái)激發(fā) MCU 啟動(dòng)整體系統(tǒng)的運(yùn)作。在未被激發(fā)的時(shí)候，微控器或甚至大部分的整機(jī)需要處于最低耗電的待機(jī)狀態(tài)，以延長(zhǎng)電池的壽命。能夠在各式需求下被喚醒，也成為微控器的重要特征。MCU 能擁有各式不同的喚醒方式，包括各I/O 可作為激發(fā)喚醒的通道，或是由I2C、UART、SPI的通道作為被外界元件觸發(fā)喚醒，或使用內(nèi)、外部的超低耗電時(shí)鐘源，透過(guò) Timer 來(lái)計(jì)時(shí)喚醒。諸多的喚醒機(jī)制，只要運(yùn)用得當(dāng)，并配合微控器的低耗電操作切換模式，可以使 MCU 幾乎時(shí)時(shí)處于極低功耗的狀況。

　　配有快速、高效率內(nèi)核的 MCU，可以在每次喚醒的當(dāng)下短暫時(shí)間里，完成應(yīng)有的運(yùn)作與反應(yīng)，并再次進(jìn)入深層的低待機(jī)模式，以此達(dá)到平均耗能下降的目的。但是，如果喚醒后開始執(zhí)行微指令的時(shí)間因?yàn)槟承┮蛩囟涎拥暮荛L(zhǎng)，將會(huì)使降低總體耗電的目標(biāo)大打折扣，甚至達(dá)不到系統(tǒng)反應(yīng)的要求。因此，有些 MCU，配合起振時(shí)間的改進(jìn)，邏輯設(shè)計(jì)的配合，使得喚醒后執(zhí)行指令的時(shí)間至少降到數(shù)個(gè)微秒之內(nèi)。

　　低功耗類比周邊及存儲(chǔ)器

　　低功耗 MCU 在運(yùn)行時(shí)除了 CPU 內(nèi)核及被致能的數(shù)字周邊電路在工作外，越來(lái)越多被整合到內(nèi)部的類比周邊電路也是耗電的主要來(lái)源。以最簡(jiǎn)單的 while （1）; 執(zhí)行序來(lái)分析運(yùn)行功耗，共包含下列耗電來(lái)源： CPU 內(nèi)核、時(shí)鐘振蕩器、嵌入式閃存、及LDO 本身的消耗電流。代入以下典型值數(shù)據(jù)將會(huì)更清楚顯示各個(gè)部分對(duì)耗電的影響：

　　運(yùn)行頻率 12MHz，MCU 電壓 3V，LDO 輸出 1.8V 供給 CPU 內(nèi)核、記憶體及其他數(shù)字電路

　　低功耗Cortex-M0內(nèi)核：600 μA

　　嵌入式閃存：1.5 mA

　　低功耗12MHz 晶震電路：230 μA

　　LDO本身的靜態(tài)消耗電流：70 μA

　　總和=0.6+2+0.23+0.07=2.4 mA，平均功耗約 200μA/MHz

　　其中耗電比例最高的是嵌入式閃存。如果要運(yùn)行在更高頻率，通常會(huì)啟動(dòng)內(nèi)建的 PLL 提供更高頻率的時(shí)鐘源，在 1.8V 供電的典型 PLL，12MHz 輸入輸出 48 MHz工作電流約為 1 ~ 2mA，如果不能有效降低 PLL 耗電，對(duì)高頻工作的低