如何实现32位MCU的低功耗设计

上网时间: 2013年07月18日? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:MCU? MCU设计? 低功耗MCU?

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 位元内核更大的处理效率。近年智能生活的抬头、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,如远端监控、数位化、网路化等。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Cortex-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,嵌入式快闪记忆体制程普及化及降价,主要成本来自记忆体大小及类比周边和 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位元低功耗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标则必须计算平均功耗。

运行功耗

现代 MCU 已整合相当多的的类比周边,不能单纯考量数字电路的动态功耗。MCU运行时的总功耗由类比周边功耗和数字周边的动态功耗相加而得。类比电路的功耗通常由工作电压及其性能要求指标来决定,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 VDD 2 (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类比周边在低压操作,IO 管脚及需要与其他外部电路连接的类比周边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 位元汇流排也代表更高的资料存取频宽,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类比周边,例如石英晶体震荡电路、嵌入式快闪记忆体或电流式 DAC,其电流消耗与转换频率成正比,也要纳入低功耗 MCU 的动态功耗设计考量。

本文下一页:静态功耗和平均功耗

? 第1页:MCU功耗来自何处?? 第2页:静态功耗和平均功耗
? 第3页:低功耗 MCU 设计考量? 第4页:低功耗数位电路
? 第5页:电源系统的考量? 第6页:低功耗类比周边及存储器
? 第7页:平均功耗计算范例

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  • MCU是什么
  • MCU是英文Micro Control Unit的简称,中文意思是微控制单元,也称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)或者单片机。MCU是指随着大规模集成电路的出现及其发展,将计算机的CPU、RAM、ROM、定时计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上,形成芯片级的计算机,为不同的应用场合做不同组合控制。

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