在提高計(jì)算性能和集成更多功能的市場(chǎng)需求驅(qū)動(dòng)下，16位和32位微控制器（MCU）的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大。電源電壓降低，采用先進(jìn)的CMOS制造工藝的32位微控制器實(shí)現(xiàn)了高性能，縮小了芯片尺寸，這些因素使電池供電的設(shè)備也在不斷擴(kuò)大應(yīng)用范圍。

　　不過(guò)深亞微米技術(shù)存在一個(gè)重大缺陷，就是泄漏電流非常高。這是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，對(duì)電量有限的電池供電應(yīng)用影響特別大。為了克服這個(gè)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(zhǎng)待機(jī)使用時(shí)間。

　　靜態(tài)電流可能是產(chǎn)生電池供電應(yīng)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(shí)現(xiàn)低功耗模式以及最大限度降低泄漏電流對(duì)電池供電應(yīng)用的影響。

　　泄漏電流

　　泄漏電流是CMOS晶體管柵極在靜態(tài)(無(wú)開關(guān)操作)下存在的連續(xù)電流，產(chǎn)生泄漏電流的原因有多個(gè)，每個(gè)縮減芯片尺寸的新技術(shù)都會(huì)提高泄漏電流。泄漏電流主要是由柵極、亞閾壓和結(jié)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(shù)降低電壓時(shí)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(yīng)；結(jié)隧道泄漏電流是由反向偏置P-N結(jié)(電子隧道)上的電場(chǎng)引起的。

　　因?yàn)閬嗛搲盒孤╇娏麟S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(guān)系曲線如圖2所示。在沒(méi)有開關(guān)操作的狀態(tài)下，采用先進(jìn)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(qiáng)度的靜態(tài)電流還會(huì)隨溫度升高而增加，在125℃時(shí)甚至?xí)^(guò)1mA，基于這個(gè)原因，考慮到最高應(yīng)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(shù)能夠限制一個(gè)數(shù)字單元的泄漏電流(延長(zhǎng)多晶硅的長(zhǎng)度，超過(guò)技術(shù)準(zhǔn)許的最短長(zhǎng)度；提高晶體管上的氧化層厚度)，但是這些技術(shù)會(huì)影響數(shù)字單元的時(shí)間延遲。如果在一個(gè)完整的核心邏輯內(nèi)使用這樣的單元，會(huì)影響芯片的性能。

　　從結(jié)構(gòu)的角度看，數(shù)字邏輯電路和存儲(chǔ)器是導(dǎo)致泄漏電流增加的主要原因。除了因?yàn)槌叽缈s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(chǔ)器的容量，所以，泄漏電流是采用最新半導(dǎo)體工藝的通用微控制器亟待解決的一個(gè)主要問(wèn)題，因?yàn)殡姵仉娏坑邢?，電池供電?yīng)用需要對(duì)這個(gè)問(wèn)題給予特殊考慮。

　　泄漏電流對(duì)電池使用時(shí)間的影響

　　當(dāng)平均運(yùn)行電流相對(duì)于待機(jī)電流變得很小時(shí)，靜態(tài)電流消耗是引起平均電流功耗的一個(gè)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(shè)備的電池使用時(shí)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(yùn)行電流，單位是mA；Istdby是待機(jī)電流，單位是mA；Eb是電池容量，單位是mAH；Trs是待機(jī)模式下的相對(duì)使用時(shí)間，取值范圍是0~1。

　　以STM32 128kB閃存微控制器為例，在所有外設(shè)開啟的條件下，72MHz的運(yùn)行電流的典型值僅為36mA(0.5mA/MHz)，這要?dú)w功于ARM Cortex-M3架構(gòu)和低功耗設(shè)計(jì)方法。不過(guò)，因?yàn)椴捎昧讼冗M(jìn)的制造工藝，泄漏電流到了55℃時(shí)會(huì)明顯增加。但是，靜態(tài)電流在55℃時(shí)仍然能夠限制到50mA，這歸功于一個(gè)超低功耗的電壓監(jiān)控器及穩(wěn)壓器。與運(yùn)行功耗相比，這個(gè)數(shù)值非常小，可以忽視不計(jì)。但是，如果應(yīng)用系統(tǒng)每天只運(yùn)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(gè)問(wèn)題，STM32的設(shè)計(jì)工程師們?cè)诩軜?gòu)層上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)內(nèi)置穩(wěn)壓器、幾個(gè)獨(dú)立的電壓區(qū)和集成電源開關(guān)，由此實(shí)現(xiàn)的低功耗模式可以根據(jù)應(yīng)用優(yōu)化電池使用時(shí)間。

　　實(shí)現(xiàn)超低功耗待機(jī)

　　一個(gè)微控制器的總功耗是動(dòng)態(tài)功耗（CMOS柵極的開關(guān)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(gè)主要原因，停止時(shí)鐘運(yùn)行，消除所有動(dòng)態(tài)功耗，對(duì)于電池供電應(yīng)用顯然不是一個(gè)有效的待機(jī)狀態(tài)。即便在停止時(shí)鐘時(shí)降低內(nèi)核電壓，對(duì)實(shí)現(xiàn)有效的待機(jī)模式也沒(méi)有太大的幫助。為實(shí)現(xiàn)超低功耗待機(jī)模式，必須關(guān)閉大部分的內(nèi)核邏輯器件(和存儲(chǔ)器)的電源。

　　為了做到這一點(diǎn)，可以在器件上做出兩個(gè)由內(nèi)部穩(wěn)壓器供電的電壓區(qū)，一個(gè)是供給低功率控制器的始終導(dǎo)通的小面積電壓區(qū)，另外一個(gè)是為了在待機(jī)模式下關(guān)閉而通過(guò)一個(gè)開關(guān)驅(qū)動(dòng)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(dǎo)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(guò)，在這兩個(gè)電壓區(qū)內(nèi)，內(nèi)部穩(wěn)壓器在待機(jī)模式下必須始終保持通態(tài)，這預(yù)示會(huì)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(yùn)行，以便達(dá)到一個(gè)超低的待機(jī)電源電流。

　　STM32按以下方式實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)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(shù)。因?yàn)橛辛烁邏壕w管，這個(gè)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(guān)的低功率RC振蕩器和一個(gè)門數(shù)量?jī)?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(shè)和存儲(chǔ)器)，主要用于提高性能，降低動(dòng)態(tài)功耗。

　　有了這兩個(gè)電壓區(qū)，STM32F103能夠提供一個(gè)功耗極低的安全待機(jī)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(gè)監(jiān)控器是為確保待機(jī)模式與運(yùn)行模式一樣可靠而監(jiān)控主電源電壓的。因?yàn)樾孤╇娏骺梢韵拗圃诤艿退剑栽?5℃和3.3V條件下，器件隨溫度升高而增加的待機(jī)電流被限制在2.4mA。

　　我們也可以在主電壓域內(nèi)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)降低功耗的功能，例如，STM32包括一個(gè)獨(dú)立的超低功耗的看門狗，該看門狗在待機(jī)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(jī)模式下出現(xiàn)一個(gè)意外輸入，這個(gè)功能則可以防止應(yīng)用失效。

　　在微控制器芯片上分離電壓區(qū)會(huì)遇到很多設(shè)計(jì)限制因素，例如：

　　● 必須在后備電

壓區(qū)實(shí)現(xiàn)完整的喚醒和模擬電路，結(jié)果很難提供大量的喚醒信號(hào)源；
　　● 必須在斷電期間分離兩個(gè)電壓區(qū)(內(nèi)核電壓傳出的所有信號(hào)都是浮空的) ；
　　● 需要以特殊的順序停止時(shí)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(gè)專用復(fù)位；
　　● 因?yàn)閮蓚€(gè)電壓區(qū)在電壓和工藝方面幾乎是相互獨(dú)立的，而在溫度方面卻是相互關(guān)聯(lián)的，所以必須考慮到兩個(gè)電壓區(qū)的時(shí)序限制。這意味著在時(shí)序分析過(guò)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(jìn)入待機(jī)模式輸入，必須在備用電壓區(qū)內(nèi)實(shí)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(gè)數(shù)的比例。在STM32上，主內(nèi)核穩(wěn)壓器無(wú)需外部去耦合電容器，所以這個(gè)產(chǎn)品并沒(méi)有因?yàn)槭请p電壓區(qū)而損失封裝上的引腳，即沒(méi)有采用額外的電源輸入。

　　不過(guò)，作為復(fù)雜設(shè)計(jì)的回報(bào)，STM32獲得了真正的超低功耗待機(jī)，有助于應(yīng)用開發(fā)人員優(yōu)化電池使用時(shí)間。

　　STM32的功率模式及優(yōu)化的電池使用時(shí)間

　　因?yàn)閷?shí)現(xiàn)了雙電壓區(qū)，STM32提供了兩個(gè)不同的低功耗模式：停止模式和待機(jī)模式。兩個(gè)功能中電壓監(jiān)控器都是導(dǎo)通的，以便在出現(xiàn)電壓下降時(shí)保護(hù)應(yīng)用。

　　在停止模式下，低功耗穩(wěn)壓器保持通態(tài)，但是時(shí)鐘停止運(yùn)行。通過(guò)內(nèi)部阻容振蕩器，穩(wěn)壓器提供極短的重啟時(shí)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(gè)模式無(wú)法減輕泄漏電流問(wèn)題，因?yàn)樾孤╇娏鲿?huì)隨著溫度以冪數(shù)形式升高。

　　在待機(jī)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(huì)隨溫度升高(在85℃下，一個(gè)典型器件的電流為2.4mA)。不過(guò)，待機(jī)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(shè)寄存器都會(huì)丟失數(shù)據(jù)。

　　為具體應(yīng)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(shí)應(yīng)考慮的基本要求。

　　● 檢查微控制器的待機(jī)狀態(tài)是否符合應(yīng)用要求(例如，I/O待機(jī)狀態(tài)、喚醒信號(hào)源)；
　　● 考慮最惡劣的但是能夠保證應(yīng)用功能正常運(yùn)行的溫度條件對(duì)電池使用壽命的影響；
　　● 檢查從待機(jī)時(shí)間開始的重啟時(shí)間是多少，是否達(dá)到應(yīng)用對(duì)重啟時(shí)間的要求；
　　● 檢查待機(jī)模式是否比停止模式省電，在兩個(gè)事件之間，待機(jī)功耗與待機(jī)重啟功耗之和是否小于停止模式的功耗。

　　這些問(wèn)題與應(yīng)用有關(guān)，待機(jī)模式重啟時(shí)間包括從喚醒到讀取復(fù)位向量這個(gè)過(guò)程所用的時(shí)間，待機(jī)模式重啟時(shí)間取決于硬件(穩(wěn)壓器啟動(dòng)時(shí)間，STM32的時(shí)鐘源啟動(dòng)時(shí)間大約為40ms)和軟件恢復(fù)應(yīng)用環(huán)境所需的時(shí)間。軟件通常必須檢查喚醒信號(hào)源，從備份寄存器恢復(fù)環(huán)境信息，并重新配置應(yīng)用系統(tǒng)使用的微控制器功能。

　　因?yàn)榇龣C(jī)軟啟動(dòng)與軟件有關(guān)，所以在喚醒階段消耗的能量也與應(yīng)用有關(guān)。一個(gè)實(shí)用的估計(jì)能量損耗的方法是，在一個(gè)時(shí)限內(nèi)(從喚醒后到軟件立即回到待機(jī)模式)生成數(shù)個(gè)給定的喚醒信號(hào)，然后比較在喚醒信號(hào)沒(méi)有生成時(shí)的平均電流消耗。為了優(yōu)化待機(jī)模式啟動(dòng)時(shí)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(yīng)該去除RAM初始化過(guò)程)。

　　含有自動(dòng)電源開關(guān)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘及數(shù)據(jù)備份專用電壓區(qū)

　　電池供電應(yīng)用都需要一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘，不過(guò)，內(nèi)核電壓關(guān)閉必然導(dǎo)致整個(gè)程序環(huán)境丟失，這相當(dāng)于一個(gè)產(chǎn)品的復(fù)位重啟。給程序?qū)崿F(xiàn)一個(gè)備份寄存器庫(kù)，有助于恢復(fù)程序執(zhí)行所需的最小環(huán)境。

　　可以在一個(gè)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(guò)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能通常應(yīng)在很長(zhǎng)時(shí)期（數(shù)年）內(nèi)有效，即便電池供電的主應(yīng)用也是以充電電池為電源的。為實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)計(jì)第三個(gè)電壓區(qū)，并設(shè)置一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘電源專用引腳，就可以使用一個(gè)很小的專用鈕扣電池給實(shí)時(shí)時(shí)鐘供電，同時(shí)主應(yīng)用由另一個(gè)主要電源供電，這樣鈕扣電池只給實(shí)時(shí)時(shí)鐘和相關(guān)的振蕩器供電，而不給其它功能供電，例如，在待機(jī)模式下才可用的電壓監(jiān)控器。

　　不過(guò)，實(shí)現(xiàn)第三電壓區(qū)也不是最完美的，因?yàn)楫?dāng)主電源可用時(shí)，鈕扣電池仍然給實(shí)時(shí)時(shí)鐘和備份寄存器供電。為此，STM32采用了一個(gè)聰明的延長(zhǎng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘電池使用時(shí)間的方法，具體做法是給實(shí)時(shí)時(shí)鐘和備份寄存器增加一個(gè)電源開關(guān)，當(dāng)主電源可用時(shí)，從主電源給實(shí)時(shí)時(shí)鐘和備份寄存器供電；當(dāng)主電源不可用時(shí)，從電池給實(shí)時(shí)時(shí)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(guò)一個(gè)閂鎖機(jī)制向電源開關(guān)發(fā)布命令，當(dāng)發(fā)現(xiàn)VDD電壓低于VDD的下限時(shí)，開關(guān)把實(shí)時(shí)時(shí)鐘和備份寄存器的電源轉(zhuǎn)接到外部Vbat電源。如果VDD電壓高于VDD上限時(shí)，開關(guān)自動(dòng)選擇VDD給這個(gè)特殊的電壓區(qū)供電。

　　采用電源開關(guān)設(shè)計(jì)還有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，軟件對(duì)這個(gè)特殊的電壓區(qū)讀寫操作(通

過(guò)電平轉(zhuǎn)換器)產(chǎn)生的額外動(dòng)態(tài)功耗決不會(huì)增加對(duì)鈕扣電池的功耗，這是因?yàn)樵谶\(yùn)行模式下，電池始終是由主電源提供的。因此，根據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的功耗和鈕扣電池的電量，可以直接計(jì)算鈕扣電池最短使用時(shí)間。

　　STM32的實(shí)時(shí)時(shí)鐘典型電流消耗為1.4mA(環(huán)境溫度，3.3V)，當(dāng)使用一枚CR2032電池時(shí)，電池最短使用時(shí)間近20年。然而，如果應(yīng)用在大多數(shù)時(shí)間都連接著主電源，電池的使用時(shí)間可以更長(zhǎng)，即便電池電量非常低，還能照常使用。

　　STM32實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘和備份寄存器在待機(jī)模式下仍正常工作，因此，實(shí)時(shí)時(shí)鐘可以作為待機(jī)喚醒的信號(hào)源，而且在系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)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(guān)的方法大幅度提高了微控制器設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，因?yàn)樗螅?br />
　　● 電壓區(qū)之間的隔離變得更加復(fù)雜；
　　● 可靠的電源開關(guān)設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)正確調(diào)整后，功耗可達(dá)到預(yù)期的水平(為避免小封裝上可用的GPIO數(shù)量減少，內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘電壓區(qū)沒(méi)有外部引腳，因此無(wú)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(dòng)情況，例如，當(dāng)VDD不存在時(shí)Vbat電壓的升高不應(yīng)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(shí)不應(yīng)有額外的功率消耗，否則電池的電量會(huì)被白白地消耗掉)；
　　● 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電壓區(qū)在轉(zhuǎn)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(yīng)用

　　盡管在應(yīng)用層面考慮了在待機(jī)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(jī)和多電壓電源架構(gòu)仍不失為一個(gè)有效的解決方案，它允許應(yīng)用系統(tǒng)在運(yùn)行模式下實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的性能，同時(shí)降低靜態(tài)功耗對(duì)待機(jī)狀態(tài)的影響。此外，在STM32內(nèi)集成獨(dú)立的功能(如實(shí)時(shí)時(shí)鐘)，使設(shè)計(jì)工程師能夠快速高效地開發(fā)電池供電的應(yīng)用設(shè)備，并充分利用產(chǎn)品的電源能效。