在提高計算性能和集成更多功能的市場需求驅動下，16位和32位微控制器（MCU）的應用領域在不斷擴大。電源電壓降低，采用先進的CMOS制造工藝的32位微控制器實現(xiàn)了高性能，縮小了芯片尺寸，這些因素使電池供電的設備也在不斷擴大應用范圍。
不過深亞微米技術存在一個重大缺陷，就是泄漏電流非常高。這是一個嚴重的問題，對電量有限的電池供電應用影響特別大。為了克服這個缺陷，新的32位微控制器(包括通用微控制器)必須具有能效非常高的超低功耗模式，以延長待機使用時間。
靜態(tài)電流可能是產(chǎn)生電池供電應用功耗的主要原因，本文主要介紹創(chuàng)新的STM32 ARM Cortex-M3內(nèi)核微控制器如何實現(xiàn)低功耗模式以及最大限度降低泄漏電流對電池供電應用的影響。
泄漏電流
泄漏電流是CMOS晶體管柵極在靜態(tài)(無開關操作)下存在的連續(xù)電流，產(chǎn)生泄漏電流的原因有多個，每個縮減芯片尺寸的新技術都會提高泄漏電流。泄漏電流主要是由柵極、亞閾壓和結隧道三種泄漏電流組成，參見圖1。
亞閾壓泄漏電流是由亞閾壓降低引起的，每一代新技術降低電壓時都需要降低閾壓；柵極泄漏電流是由柵極氧化層厚度降低造成的，降低柵極氧
化層厚度是降低“短溝道”效應；結隧道泄漏電流是由反向偏置P-N結(電子隧道)上的電場引起的。
因為亞閾壓泄漏電流隨溫度升高而以冪數(shù)形式升高，所以泄漏電流隨溫度升高而增加，溫度與泄漏電流的關系曲線如圖2所示。在沒有開關操作的狀態(tài)下，采用先進制造工藝的32位微控制器在通常的環(huán)境溫度下能夠把靜態(tài)電流限制到幾微安。然而這種強度的靜態(tài)電流還會隨溫度升高而增加，在125℃時甚至會超過1mA，基于這個原因，考慮到最高應用溫度下的泄漏電流是非常重要的。
雖然目前存在幾種技術能夠限制一個數(shù)字單元的泄漏電流(延長多晶硅的長度，超過技術準許的最短長度；提高晶體管上的氧化層厚度)，但是這些技術會影響數(shù)字單元的時間延遲。如果在一個完整的核心邏輯內(nèi)使用這樣的單元，會影響芯片的性能。
從結構的角度看，數(shù)字邏輯電路和存儲器是導致泄漏電流增加的主要原因。除了因為尺寸縮小而引起泄漏電流提高的原因外，新一代8位、16位和32位微控制器還大幅度提高了數(shù)字邏輯門的數(shù)量和存儲器的容量，所以，泄漏電流是采用最新半導體工藝的通用微控制器亟待解決的一個主要問題，因為電池電量有限，電池供電應用需要對這個問題給予特殊考慮。
泄漏電流對電池使用時間的影響
當平均運行電流相對于待機電流變得很小時，靜態(tài)電流消耗是引起平均電流功耗的一個主要原因。
如果電池提供的電量已確定，我們就可以快速估算出設備的電池使用時間(不考慮Peukert法則中的電池電容的非線性)，見下式。
其中，Irun是運行電流，單位是mA；Istdby是待機電流，單位是mA；Eb是電池容量，單位是mAH；Trs是待機模式下的相對使用時間，取值范圍是0~1。
以STM32 128kB閃存微控制器為例，在所有外設開啟的條件下，72MHz的運行電流的典型值僅為36mA(0.5mA/MHz)，這要歸功于ARM Cortex-M3架構和低功耗設計方法。不過，因為采用了先進的制造工藝，泄漏電流到了55℃時會明顯增加。但是，靜態(tài)電流在55℃時仍然能夠限制到50mA，這歸功于一個超低功耗的電壓監(jiān)控器及穩(wěn)壓器。與運行功耗相比，這個數(shù)值非常小，可以忽視不計。但是，如果應用系統(tǒng)每天只運行一分鐘，則靜態(tài)電流功耗則在總功耗中占很大比例(64%)。為了解決這個問題，STM32的設計工程師們在架構層上實現(xiàn)了一個內(nèi)置穩(wěn)壓器、幾個獨立的電壓區(qū)和集成電源開關，由此實現(xiàn)的低功耗模式可以根據(jù)應用優(yōu)化電池使用時間。
實現(xiàn)超低功耗待機
一個微控制器的總功耗是動態(tài)功耗（CMOS柵極的開關操作）與靜態(tài)電流功耗（泄漏電流和靜態(tài)模擬電流功耗）的總合。靜態(tài)電流是引起功耗的一個主要原因，停止時鐘運行，消除所有動態(tài)功耗，對于電池供電應用顯然不是一個有效的待機狀態(tài)。即便在停止時鐘時降低內(nèi)核電壓，對實現(xiàn)有效的待機模式也沒有太大的幫助。為實現(xiàn)超低功耗待機模式，必須關閉大部分的內(nèi)核邏輯器件(和存儲器)的電源。
為了做到這一點，可以在器件上做出兩個由內(nèi)部穩(wěn)壓器供電的電壓區(qū)，一個是供給低功率控制器的始終導通的小面積電壓區(qū)，另外一個是為了在待機模式下關閉而通過一個開關驅動所有其它功能的“主內(nèi)核”電壓區(qū)。因此，在主內(nèi)核電壓區(qū)可以專注于處理性能，而在“始終導通”電壓區(qū)內(nèi)限制泄漏電流(靜態(tài)電流)卻十分重要。
不過，在這兩個電壓區(qū)內(nèi)，內(nèi)部穩(wěn)壓器在待機模式下必須始終保持通態(tài)，這預示會產(chǎn)生一股巨大的靜態(tài)電流。因此，最好停止嵌入式穩(wěn)壓器的運行，以便達到一個超低的待機電源電流。
STM32按以下方式實現(xiàn)這兩個電壓區(qū)，其框架如圖3所示。
● VDD后備主電壓
區(qū)基于靜態(tài)電流非常低的厚氧化層高壓晶體管技術。因為有了高壓晶體管，這個電壓區(qū)可以直接由主VDD電壓供電。該電壓區(qū)包括低功率模式控制器和功率極低的看門狗，以及相關的低功率RC振蕩器和一個門數(shù)量優(yōu)化的邏輯電路;
● 主內(nèi)核從電壓區(qū)包括限制在低壓下的所有其它功能(CPU內(nèi)核、大多數(shù)外設和存儲器)，主要用于提高性能，降低動態(tài)功耗。
有了這兩個電壓區(qū)，STM32F103能夠提供一個功耗極低的安全待機模式，在3.3V電壓下典型電流為2mA，這是電壓監(jiān)控器所消耗的電流，這個監(jiān)控器是為確保待機模式與運行模式一樣可靠而監(jiān)控主電源電壓的。因為泄漏電流可以限制在很低水平，所以在85℃和3.3V條件下，器件隨溫度升高而增加的待機電流被限制在2.4mA。
我們也可以在主電壓域內(nèi)實現(xiàn)動態(tài)降低功耗的功能，例如，STM32包括一個獨立的超低功耗的看門狗，該看門狗在待機模式下工作，總增加功耗(專用RC振蕩器和看門狗的數(shù)字功耗)在3.3V電壓下僅1mA。如果在待機模式下出現(xiàn)一個意外輸入，這個功能則可以防止應用失效。
在微控制器芯片上分離電壓區(qū)會遇到很多設計限制因素，例如：
● 必須在后備電
壓區(qū)實現(xiàn)完整的喚醒和模擬電路，結果很難提供大量的喚醒信號源；
● 必須在斷電期間分離兩個電壓區(qū)(內(nèi)核電壓傳出的所有信號都是浮空的) ；
● 需要以特殊的順序停止時鐘源，電源斷電/上電必須可靠。例如，主內(nèi)核電壓邏輯電路需要一個專用復位；
● 因為兩個電壓區(qū)在電壓和工藝方面幾乎是相互獨立的，而在溫度方面卻是相互關聯(lián)的，所以必須考慮到兩個電壓區(qū)的時序限制。這意味著在時序分析過程中必須兼顧更多的情況(例如，電壓和工藝最差的備用電壓區(qū)，以及工藝和電壓最好的主內(nèi)核電壓區(qū)) ；
● 為防止程序意外地進入待機模式輸入，必須在備用電壓區(qū)內(nèi)實現(xiàn)某些安全功能，如看門狗；
● 為了保證產(chǎn)品在小封裝內(nèi)擁有32位的性能，還必須保持可用I/O與I/O總個數(shù)的比例。在STM32上，主內(nèi)核穩(wěn)壓器無需外部去耦合電容器，所以這個產(chǎn)品并沒有因為是雙電壓區(qū)而損失封裝上的引腳，即沒有采用額外的電源輸入。
不過，作為復雜設計的回報，STM32獲得了真正的超低功耗待機，有助于應用開發(fā)人員優(yōu)化電池使用時間。
STM32的功率模式及優(yōu)化的電池使用時間
因為實現(xiàn)了雙電壓區(qū)，STM32提供了兩個不同的低功耗模式：停止模式和待機模式。兩個功能中電壓監(jiān)控器都是導通的，以便在出現(xiàn)電壓下降時保護應用。
在停止模式下，低功耗穩(wěn)壓器保持通態(tài)，但是時鐘停止運行。通過內(nèi)部阻容振蕩器，穩(wěn)壓器提供極短的重啟時間(<10mS)，并保留軟件環(huán)境。在環(huán)境溫度下的典型電流為15mA(3.3V)，但是這個模式無法減輕泄漏電流問題，因為泄漏電流會隨著溫度以冪數(shù)形式升高。
在待機模式下，穩(wěn)壓器是斷態(tài)，在環(huán)境溫度下電流消耗為2mA(3.3V)，電流幾乎不會隨溫度升高(在85℃下，一個典型器件的電流為2.4mA)。不過，待機模式重啟意味著軟件內(nèi)容丟失，RAM、內(nèi)核和大多數(shù)外設寄存器都會丟失數(shù)據(jù)。
為具體應用選擇最佳的模式能夠極大地影響電池的使用壽命，下面是在選擇省電方式時應考慮的基本要求。
● 檢查微控制器的待機狀態(tài)是否符合應用要求(例如，I/O待機狀態(tài)、喚醒信號源)；
● 考慮最惡劣的但是能夠保證應用功能正常運行的溫度條件對電池使用壽命的影響；
● 檢查從待機時間開始的重啟時間是多少，是否達到應用對重啟時間的要求；
● 檢查待機模式是否比停止模式省電，在兩個事件之間，待機功耗與待機重啟功耗之和是否小于停止模式的功耗。
這些問題與應用有關，待機模式重啟時間包括從喚醒到讀取復位向量這個過程所用的時間，待機模式重啟時間取決于硬件(穩(wěn)壓器啟動時間，STM32的時鐘源啟動時間大約為40ms)和軟件恢復應用環(huán)境所需的時間。軟件通常必須檢查喚醒信號源，從備份寄存器恢復環(huán)境信息，并重新配置應用系統(tǒng)使用的微控制器功能。
因為待機軟啟動與軟件有關，所以在喚醒階段消耗的能量也與應用有關。一個實用的估計能量損耗的方法是，在一個時限內(nèi)(從喚醒后到軟件立即回到待機模式)生成數(shù)個給定的喚醒信號，然后比較在喚醒信號沒有生成時的平均電流消耗。為了優(yōu)化待機模式啟動時間，開發(fā)人員不得忘記優(yōu)化編譯器增加的初始化階段，并盡可能減少初始化階段(例如，應該去除RAM初始化過程)。
含有自動電源開關的實時時鐘及數(shù)據(jù)備份專用電壓區(qū)
電池供電應用都需要一個實時時鐘，不過，內(nèi)核電壓關閉必然導致整個程序環(huán)境丟失，這相當于一個產(chǎn)品的復位重啟。給程序實現(xiàn)一個備份寄存器庫，有助于恢復程序執(zhí)行所需的最小環(huán)境。
可以在一個備用電壓區(qū)內(nèi)，把所有這些功能都直
接集成在微控制器上。不過，實時時鐘功能通常應在很長時期（數(shù)年）內(nèi)有效，即便電池供電的主應用也是以充電電池為電源的。為實時時鐘設計第三個電壓區(qū)，并設置一個實時時鐘電源專用引腳，就可以使用一個很小的專用鈕扣電池給實時時鐘供電，同時主應用由另一個主要電源供電，這樣鈕扣電池只給實時時鐘和相關的振蕩器供電，而不給其它功能供電，例如，在待機模式下才可用的電壓監(jiān)控器。
不過，實現(xiàn)第三電壓區(qū)也不是最完美的，因為當主電源可用時，鈕扣電池仍然給實時時鐘和備份寄存器供電。為此，STM32采用了一個聰明的延長實時時鐘電池使用時間的方法，具體做法是給實時時鐘和備份寄存器增加一個電源開關，當主電源可用時，從主電源給實時時鐘和備份寄存器供電；當主電源不可用時，從電池給實時時鐘和備份寄存器供電。STM32電壓區(qū)電路如圖4所示。
主電壓監(jiān)控制器通過一個閂鎖機制向電源開關發(fā)布命令，當發(fā)現(xiàn)VDD電壓低于VDD的下限時，開關把實時時鐘和備份寄存器的電源轉接到外部Vbat電源。如果VDD電壓高于VDD上限時，開關自動選擇VDD給這個特殊的電壓區(qū)供電。
采用電源開關設計還有另外一個優(yōu)點，軟件對這個特殊的電壓區(qū)讀寫操作(通
過電平轉換器)產(chǎn)生的額外動態(tài)功耗決不會增加對鈕扣電池的功耗，這是因為在運行模式下，電池始終是由主電源提供的。因此，根據(jù)實時時鐘的功耗和鈕扣電池的電量，可以直接計算鈕扣電池最短使用時間。
STM32的實時時鐘典型電流消耗為1.4mA(環(huán)境溫度，3.3V)，當使用一枚CR2032電池時，電池最短使用時間近20年。然而，如果應用在大多數(shù)時間都連接著主電源，電池的使用時間可以更長，即便電池電量非常低，還能照常使用。
STM32實現(xiàn)的實時時鐘和備份寄存器在待機模式下仍正常工作，因此，實時時鐘可以作為待機喚醒的信號源，而且在系統(tǒng)進入待機模式前，備份寄存器還可以保存一些重要的參數(shù)值。
增添電源開關的方法大幅度提高了微控制器設計的復雜性，因為它要求：
● 電壓區(qū)之間的隔離變得更加復雜；
● 可靠的電源開關設計，經(jīng)過正確調(diào)整后，功耗可達到預期的水平(為避免小封裝上可用的GPIO數(shù)量減少，內(nèi)部實時時鐘電壓區(qū)沒有外部引腳，因此無需增添去耦合電容器)；
● 考慮到了不增加Vbat靜態(tài)功耗的各種啟動情況，例如，當VDD不存在時Vbat電壓的升高不應產(chǎn)生意外狀態(tài)(鈕扣電池可能在生產(chǎn)線上被焊接到產(chǎn)品內(nèi)，這時不應有額外的功率消耗，否則電池的電量會被白白地消耗掉)；
● 實時時鐘電壓區(qū)在轉接VbatV電壓前必須能承受VDD最低閾壓以下的大電壓降。
支持電池供電應用
盡管在應用層面考慮了在待機狀態(tài)下允許內(nèi)容丟失的情況，像STM32這樣的超低功耗待機和多電壓電源架構仍不失為一個有效的解決方案，它允許應用系統(tǒng)在運行模式下實現(xiàn)優(yōu)異的性能，同時降低靜態(tài)功耗對待機狀態(tài)的影響。此外，在STM32內(nèi)集成獨立的功能(如實時時鐘)，使設計工程師能夠快速高效地開發(fā)電池供電的應用設備，并充分利用產(chǎn)品的電源能效。