物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的興起 對(duì)芯片低功耗的需求會(huì)越來越多

隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的興起，對(duì)芯片低功耗的需求也會(huì)越來越多。分析幾個(gè)關(guān)鍵的低功耗技術(shù)，對(duì)比通用的設(shè)計(jì)方法，未來會(huì)有更多低功耗架構(gòu)的電路及方法出現(xiàn)。低功耗的需求一定是和應(yīng)用相關(guān)，沒有最低，只有最合適的。

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能城市及智能電網(wǎng)的普及，MCU 的應(yīng)用也迎來了井噴式的發(fā)展。目前國(guó)外大廠如ST、NXP、TI 等芯片公司占據(jù) MCU 大部分的市場(chǎng)份額，且提供全系列芯片及產(chǎn)品來滿足客戶需求。對(duì)于國(guó)內(nèi)公司來說，面臨的壓力和挑戰(zhàn)是除了技術(shù)本身外面，構(gòu)建 MCU 的生態(tài)系統(tǒng)也很重要。中國(guó)公司的優(yōu)勢(shì)在于中國(guó)是 MCU 應(yīng)用最大的市場(chǎng)，本土企業(yè)更了解客戶的需求和痛點(diǎn)。為此需要在架構(gòu)創(chuàng)新性、產(chǎn)品的可靠性，低功耗設(shè)計(jì)及性能提升上做更多的努力。

2 MCU 技術(shù)

MCU 最初應(yīng)用領(lǐng)域主要在工業(yè)控制和消費(fèi)類市場(chǎng)，隨著 MCU 需求量和應(yīng)用的不斷擴(kuò)展，MCU 已全面向 SoC 方面發(fā)展，功能越來越強(qiáng)大，處理能力越來越強(qiáng)，外設(shè)和接口不斷擴(kuò)充。為了滿足新的需求和高端應(yīng)用市場(chǎng)，MCU 的架構(gòu)也發(fā)生了很大的變化，從 51 core 向 AMR 內(nèi)核發(fā)展，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和需求不同，8/16/32 bit MCU 會(huì)并存一段時(shí)間,圖 1 為 MCU 的應(yīng)用方向向各種智能應(yīng)用轉(zhuǎn)換。

選擇不同 bit MCU 要依據(jù)芯片的功能需求，性能需求，功耗要求及成本綜合考慮。圖 2 為各種 MCU 的占比圖（資料來源：SIA/WSTS Semico Research Corp）。

從成本方面來講，8 bit MCU 具有優(yōu)勢(shì)，可滿足低端需求，而 32 bit MCU 因?yàn)樘峁└鼜?qiáng)大的運(yùn)算處理能力，更快的速度已經(jīng)成為高端 MCU 的標(biāo)配。而高端 MCU 通常搭載 AMR cortex-M 處理器，配合豐富的外設(shè)接口及高可靠性，高性能的模擬模塊，來提供滿足市場(chǎng)及客戶需求。MCU 中涉及的關(guān)鍵技術(shù)和問題非常多，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)開始，如何定義系統(tǒng)架構(gòu)，如何構(gòu)建平臺(tái)和MCU生態(tài)系統(tǒng)到數(shù)字電路設(shè)計(jì)；從工藝的選擇到模擬電路的設(shè)計(jì)，從可靠性設(shè)計(jì)到低功耗設(shè)計(jì)；從應(yīng)用創(chuàng)新到滿足客戶各種需求 。每個(gè)方面都對(duì)設(shè)計(jì)公司提出很高的挑戰(zhàn)。

本文僅從低功耗設(shè)計(jì)的角度研究 MCU 在低功耗設(shè)計(jì)方面的一些技術(shù)挑戰(zhàn)和方向。

3 MCU 的低功耗設(shè)計(jì)

隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，各種可穿戴設(shè)備都需要電池供電，MCU 的要求除了豐富的功能模塊支持和高性能指標(biāo)之外，低功耗也成為一個(gè)非常重要的課題。特別是可穿戴設(shè)備大多采用電池供電，希望待機(jī)時(shí)間很長(zhǎng)，所以低功耗設(shè)計(jì)的重要性就特別凸現(xiàn)。MCU 的低功耗設(shè)計(jì)不僅需要保證在正常模式下，芯片的功耗要低，而且需要合理配置工作模式，讓芯片能夠盡可能的省電，即大多數(shù)情況下，芯片處于省電模式下，盡可能延長(zhǎng)電池的使用壽命。圖 3 是一般 MCU 芯片的工作模式，為了省電，一般設(shè)計(jì)僅僅在需要工作時(shí)將必要的模塊打開，而大多數(shù)情況模塊處于 Sleep 模式，也即盡量降低處于 Normal 模式的時(shí)間。

低功耗的設(shè)計(jì)涉及正常模式的低功耗設(shè)計(jì)及睡眠模式下的低功耗設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。這兩方面對(duì)于低功耗設(shè)計(jì)都非常重要，下面分別進(jìn)行分析。

3.1 Normal 模式的低功耗設(shè)計(jì)

MCU 芯片的周期從 Sleep 模式進(jìn)入 Normal 模式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理結(jié)束之后立即進(jìn)入 Sleep 模式。一般 MCU 還有一個(gè) Hold mode，功耗比 Normal 模式低，與系統(tǒng)定義相關(guān)，即根據(jù)需要選擇性的開關(guān)一些模塊并保持一定的狀態(tài)。

Normal 模式下的功耗包含數(shù)字動(dòng)態(tài)功耗和以模擬為主的靜態(tài)功耗。

數(shù)字動(dòng)態(tài)功耗的表達(dá)式為式（1）

P＝α×Vdd2×f×Cl （1）

其中，Vdd 為數(shù)字工作電壓，f 為數(shù)字工作頻率，Cl 數(shù)字模塊的負(fù)載，而α是開關(guān)工作的比率。在 Normal 模式下，數(shù)字工作在低頻及采用深亞微米工藝使其 load 更小，盡量降低開關(guān)的次數(shù)會(huì)大大降低數(shù)字部分的動(dòng)態(tài)功耗。但是工作電壓的降低會(huì)帶來速度的降低，會(huì)降低數(shù)字電路的抗干擾性能。圖 4 是不同模塊根據(jù)系統(tǒng)定義和需求工作在不同的電源電壓下的示例。 采用 Clock gated 技術(shù)[1]（圖 5）可以大大降低功耗，使得數(shù)字模塊僅僅在需要工作時(shí)工作。另外降低系統(tǒng)頻率也會(huì)優(yōu)化功耗，但是會(huì)帶來處理速度的下降。所以數(shù)字動(dòng)態(tài)功耗的優(yōu)化需要結(jié)合系統(tǒng)需求來進(jìn)行。一般數(shù)字模塊通過合理的分配不同模塊工作在不同的電源電壓下，并且采用合理的門控時(shí)鐘方案和選擇合適的時(shí)鐘，以實(shí)現(xiàn)功耗的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

除了數(shù)字動(dòng)態(tài)功耗外，模擬模塊的設(shè)計(jì)也要求低功耗。在 Normal 模式下，模擬的模塊如電源管理模塊，Bandgap Reference 及 Voltage Regulation，在保證性能的情況下，盡可能降低模擬電路的功耗（圖 6）。

3.2 Sleep 模式下的低功耗設(shè)計(jì)

MCU 在睡眠模式下，為了得到低功耗，一般需要在如下幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，系統(tǒng)級(jí)，工藝級(jí)，模擬及數(shù)字模塊設(shè)計(jì)。如圖 7 所示。

MCU 低功耗設(shè)計(jì)離不開工藝的支持，工藝的選擇對(duì) MCU 的低功耗影響很大，一般 Foundry 廠家都提供 Low power 或 Low leakage 的工藝。芯片進(jìn)入睡眠模式后，數(shù)字電路大部分處于 power down的狀態(tài)。如果工藝選擇合適，數(shù)字電路在睡眠模式的漏電流就很小，芯片才可能實(shí)現(xiàn)低功耗的模式。

工藝越先進(jìn)，漏電流越大。為此需要采用 Low leakage 的工藝來進(jìn)行低功耗的設(shè)計(jì)。器件的漏電流由 Gate 漏電流（由通過 Gate 氧化層的載流子隧穿電流），深亞微米工藝下，Gate 氧化層厚度減小，進(jìn)入通過氧化層的電場(chǎng)增強(qiáng)，隧穿效應(yīng)比較明顯。GIDL 電流，源漏的穿通電流，熱載流子效應(yīng)及反向PN結(jié)的遂穿電流都會(huì)導(dǎo)致漏電流的增加。所以工藝的評(píng)估非常重要[2]（圖 8）。

另外進(jìn)入 Sleep 模式后，整個(gè)系統(tǒng)的功耗控制方案需要提前評(píng)估，是否需要 power gate 的控制，即斷開模塊的電源，徹底斷電?；蛘咝枰?guī)劃系統(tǒng)在進(jìn)入 Sleep 模式后，各個(gè)模塊的供電是如何考慮的？是否需要 DC-DC 或 LDO 供電，供電的電壓是多少？系統(tǒng)電源的策略對(duì)最終的低功耗有很大的影響。 比如采用 DC-DC 供電就比直接采用 LDO 更省電，但是 DC-DC 帶來的電源波動(dòng)對(duì)電路的影響需要結(jié)合系統(tǒng)需求來決定，也可以采用 DC-DC 加 LDO 的方式，但會(huì)帶來面積上的代價(jià)等，這些都需要綜合考慮。 另外一個(gè)考慮是進(jìn)入 Sleep 模式后，時(shí)鐘的頻率的大小，是來自 RC OSC 或 OSC 32k 等。

上面兩方面確定之后，就需要考慮低功耗的模擬及數(shù)字電路設(shè)計(jì)，對(duì)于模擬模塊來說，提供低功耗的 LDO 和時(shí)鐘及復(fù)位模塊直接決定于 Sleep 模式下的 MCU 功耗，LDO 作為供電模塊，雖然在 Sleep 模式下驅(qū)動(dòng)電流很小，但其本身的功耗要盡可能的小，LDO 的參考 Bandgap 也同樣需要低功耗的設(shè)計(jì)，一般情況下，Sleep 模式對(duì) LDO 的電壓精度要求不高，所以使得低功耗的設(shè)計(jì)成為可能。時(shí)鐘模塊需要結(jié)合系統(tǒng)定義，確定低功耗模式下是提供精準(zhǔn)的 OSC 32k 時(shí)鐘還是 RC OSC 的時(shí)鐘就可以滿足要求。另外模擬也需要提供 Reset 模塊來監(jiān)控外部電源的情況，如果電源電壓太低，也需要及時(shí)輸出相應(yīng)的指示信號(hào)。

對(duì)于低功耗模擬電路來說，從圖 9（gm/Id 圖）[3]中可以看到，如果模擬電路工作在低功耗區(qū)域，則模擬模塊需要工作在亞閾值區(qū)。亞閾值區(qū)模擬 MOS 管的電流和 VGS 的關(guān)系如式（2），VGS 輸入非常接近 Vth。在亞閾值區(qū)間，MOS 管的電流和 VGS 成指數(shù)關(guān)系[4]。

Id＝Is×eVGS/(n×KT/q)（2）

對(duì)于數(shù)字電路的模塊，進(jìn)入 Sleep 模式后，常開的邏輯電路一般對(duì)于時(shí)序要求不高，可以采用適當(dāng)降低其供電電壓來降低功耗，采用盡可能低的時(shí)鐘來保持一定的工作狀態(tài)。另外一個(gè)非常重要的模塊是 RAM 的設(shè)計(jì)，RAM 在 Sleep 模式后，一部分會(huì) power down。另外一部分電路需要處于保持模式，來存儲(chǔ)一定的數(shù)據(jù)，既不會(huì)讀也不會(huì)進(jìn)行寫操作，只要保持狀態(tài)即可。而 RAM 的電流占到數(shù)字電流很大的比列，通常采用的 RAM 功耗降低的方法有降低 RAM 的工作電壓或采用特殊結(jié)果的 RAM 電路來降低功耗。

4 結(jié)語(yǔ)

MCU 的低功耗設(shè)計(jì)是 MCU 芯片非常核心的技術(shù)，也是各家 MCU 進(jìn)行性能指標(biāo)對(duì)比最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。在 MCU 的低功耗設(shè)計(jì)中，涉及從芯片工藝﹑系統(tǒng)設(shè)計(jì)到模擬及數(shù)字實(shí)現(xiàn)的方方面面。隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的興起，對(duì)低功耗的需求也會(huì)越來越多，本文提到的幾個(gè)關(guān)鍵的低功耗技術(shù)是一些比較通用的設(shè)計(jì)方法，未來也會(huì)有更多低功耗架構(gòu)的電路及方法出現(xiàn)，但不論怎樣，低功耗的需求一定是和應(yīng)用相關(guān)的——沒有最低，只有最合適的。