傳統的低功耗 MCU 設計都是以8位MCU為主，因為8 位內核閾門相對較少，運行或泄露電流低，售價也相對低廉。但是，許多新興的應用都需要比8位內核更大的處理效率。近年智慧生活的抬頭、物聯網的建立，手持式消費性電子產品與無線功能需求越來越高、設計越來越復雜，要提高性能的同時又要兼顧低功耗，需要有一高性能低功耗的主控 MCU 來作為平臺。另一方面，工業上的智能化也在展開，如遠程監控、數字化、網絡化等。簡單說來，就是人物之連結 (云端應用)、物物之連結 (物聯網) 需求越來越多，導致產品功能越來越復雜，運算量越來越高，2009 年 ARM 發表了 32 位 CortexTM-M0 內核，提供 MCU 廠商一個強而有力的平臺，加上制程微縮技術的進步，嵌入式閃存制程普及化及降價，主要成本來自內存大小及模擬外圍和IO管腳數量，CPU內核的成本差異已大幅縮短，更促進了高性價比 32 位低功耗 MCU 的快速發展。MCU功耗來自何處
在開始討論低功耗MCU設計前，必須先探討MCU功耗的來源，其主要由靜態功耗及運行功耗兩部分組成。考慮實際的應用，最后決定系統功耗性能指針則必須計算平均功耗。運行功耗
現代 MCU 已整合相當多的的模擬外圍，不能單純考慮數字電路的動態功耗。MCU 運行時的總功耗由模擬外圍功耗和數字外圍的動態功耗相加而得。模擬電路的功耗通常由工作電壓及其性能要求指針來決定，例如 100 ns 傳遞延遲 (Propogation Delay) 的比較器工作電流可能約為 40 微安，當允許傳遞延遲規格為 1 μs 時，工作電流有機會降到個位數微安。
數字電路的動態功耗主要來自開關頻率、電壓及等效負載電容，其計算公式如下：
PDynamic (動態功耗) ~ f (工作頻率) x CL (等效負載電容) x VDD2 (工作電壓)
由以上公式可以理解到降低動態功耗最直接的方式為降低工作電壓及工作頻率。但 MCU 實際應用面通常要求更寬廣的工作電壓及更高的效能。在降低工作電壓方面，可以選擇更新近的制程，并透過 LDO 讓 CPU 內核、數字電路及與管腳輸出入電壓無關的模擬外圍在低壓操作，IO 管腳及需要與其他外部電路連接的模擬外圍則在較高的系統電壓操作。如此可以兼顧低功耗及寬工作電壓的需求。在降低工作頻率這項參數上，一個設計優良的 32 位 MCU更能突顯其效能優勢，除了直覺的 MIPS 比較之外，32 位總線也代表更高的數據存取帶寬，能以更低的工作頻率達到相同的效能，進而降低整體功耗。另外，如果 MCU 內建與操作頻率相關的模擬外圍，例如石英晶體震蕩電路、嵌入式閃存或電流式 DAC，其電流消耗與轉換頻率成正比，也要納入低功耗 MCU 的動態功耗設計考慮。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 MCU Nano 系列及血糖計應用為例，進行使用年限的預估。新唐的 Nano 系列低功耗 32位 MCU 的 CPU 內核為 CortexTM-M0，具有 200uA/MHz 低運行功耗、待機電流僅需1uA、7uS快速喚醒、多重時鐘訊號來源及多種工作模式，多達 128 KB Flash、16K SRAM 及 12位 ADC、12位 DAC、SPI、I2C、I2S、UART、LCD、Touch Key 等豐富外圍，符合低功耗、高性能 MCU 應用需求。
此血糖計范例采用 CR2032 230 mAh 電池，使用方式、運行功耗及靜態功耗如下表所示。

使用年限的計算方式請參考下表。量測時間比例、顯示時間比例及待機時間比例可由上表求得。例如，量測時間比例為 “6 次 x 0.25 分鐘 / (60 x 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 x (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 x (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 x (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。

結論
低功耗MCU設計是一個需要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才能在市場上取得成功。由于智能電網、物聯網、遠程控制、自動化管理等低功耗高效能應用需求量持續增加，在可以預見的未來，32位低功耗MCU將逐漸取代8/16位低功耗MCU，成為市場主流。
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總結

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