第2章 低功耗微控制器電路設計

2.1 選擇低功耗的微控制器

2.1.1 低功耗8位PIC單片機系列

Microchip Technology Inc.推出的采用nanoWattXLP技術的全新8位PIC單片機（MCU）系列，包括PIC18F13K22、PIC18LF13K22、PIC18F14K22和PIC18LF14K22，該系列芯片可以實現極低的休眠電流。其高性能、低功耗的MCU，能在1.8～5.5V電壓下工作，具備高達16KB的閃存程序存儲器，64MHz精確內部振蕩器；具備SPI/I2C接口和地址掩碼的主同步串口（MSSP），12通道的10位模數轉換器（ADC），支持mTouch容性觸摸傳感（最多四個按鈕）的S/R鎖存模塊；具備轉向功能的增強型捕捉/比較/PWM（ECCP），兩個軌到軌比較器，可編程欠壓復位（BOR）等，內部結構框圖如圖2.1所示，所有芯片采用20引腳PDIP、SSOP、SOIC和4mm×4mmQFN封裝。

PIC18F1XK22/LF1XK22系列的所有器件都具有能夠在工作時顯著降低功耗的功能，主要有以下幾項。

（1）多種空閑模式：控制器還可在其CPU內核禁止而外設仍然工作的情況下工作。處于這些狀態時，功耗能降得更低，只有正常工作時的4%。

（2）動態模式切換：在器件工作期間可由用戶代碼調用功耗管理模式，允許用戶將節能的理念融入到他們的應用軟件設計中。

（3）關鍵模塊低功耗：Timer（定時器）1和看門狗定時器模塊的功耗需求可降至最小。

采用nanoWatt XLP技術，PIC18LF1XK22 MCU在電壓為1.8V時，休眠電流的典型值可低至34nA；在電壓為1.8V且采用32kHz晶振時，Timer1振蕩器的電流典型值可低至800nA；在電壓為1.8V時，看門狗定時器的電流典型值可低至300nA。因此，該系列器件能以更低的功耗（或更少的電池更換次數）運行更長的時間。

Microchip提供一套完整的標準開發工具供設計人員使用PIC18F1XK22/LF1XK22系列單片機進行設計。設計人員可以使用統一的、功能豐富、界面友好的免費MPLABIDE，以及可供選擇的MPLABC和HI-TECHC編譯器。精簡版MPLABC和HI-TECHC編譯器是完全免費、功能完備的編譯器，無使用期限。針對程序空間有限的應用，標準版和專業版可提供更加緊湊的代碼和增強的性能。Microchip也提供豐富的調試硬件，包括廣受歡迎的PICkit3 DebugExpress、新的在線調試器MPLABICD3和MPLABREALICE在線仿真器。所有工具都能登錄http：//www.microchipdirect.com購買。欲了解開發工具的詳細信息，請登錄ht-tp：//www.microchip.com/developmenttools。

PIC18F1XK22/LF1XK22系列MCU內部結構框圖如圖2.1所示。

2.1.2 意法半導體（ST）超低功耗8位MCU系列

意法半導體推出的基于超低功耗技術平臺的8位MCU系列，具有26款相互兼容的器件，提供可擴展的性能，兼具低于400nA的靜態功耗和業內領先的150μA/MHz動態電流，給設計工程師帶來一個更佳的選擇。

這個全新的STM8L超低功耗系列MCU基于意法半導體加強型RISC內核，時鐘頻率為16MHz，性能達到16MIPS。它以節省運行和待機功耗為特色，STM8L系列包含STM8L101、STM8L151和STM8L152。這些產品在外設集成和組件配置上有所不同，但所有系列均包括看門狗、復位電路、定時器、比較器、振蕩器及多個通信外設等，涵蓋多種高性能和多功能應用。STM8L內部結構框圖如圖2.2所示。

STM8L系列產品采用該公司獨有的超低泄漏電流優化的130nm工藝。其技術優勢包括在1.65～3.6V的整個電源電壓范圍內達到CPU最大工作頻率，發揮CPU的全部性能。此外，由于采用一個片上穩壓器，其功耗與VDD電壓無關。

其他創新特性包括低功耗嵌入式非易失性存儲器和多個電源管理模式，包括5.4μA低功耗運行模式、3.3μA低功耗待機模式、1μA主動停止模式（實時時鐘運行）和350nA停止模式。STM8L可以在4μs內從停止模式喚醒，支持頻繁使用最低功耗模式。其低功耗外設包括小于1μA的實時時鐘和自動喚醒（AWU）模塊，有助于進一步節省電能。這個平臺可將動態電流消耗降到150μA/MHz。

該低功耗平臺的另一個特性是確保集成的模擬電路在低至1.8V工作電壓時仍可操作，在整個VDD電壓范圍內最大化MCU的功能。開發工程師還將獲益于STM8L全系列器件在引腳和軟件上的兼容性，以及與意法半導體的STM32系列32位MCU共用外設接口所帶來的設計靈活性與擴展性。

這些產品大大改善了動態功耗和靜態功耗，性能/功耗比達到新高，最低350nA即可保持SRAM數據。STM8L101和STM8L15×的低功耗數據見表2.1。

表2.1 STM8L101和STM8L15×的低功耗數據

設計工程師采用這些低功耗STM8L系列可以符合包括“能源之星”、IEA的“1W節能計劃”在內的低功耗產品設計標準，并提高終端產品的性能和功能，滿足以市場為導向的需求，如終端用戶對節能環保產品的需求，以及便攜設備、各種醫療設備、工業設備、電子計量設備、感應或安保設備對電池使用周期的要求等。

2.1.3 16位超低功耗MCU MSP430FG4270

得州儀器（TI）公司推出一款片上系統（SoC）微控制器單元（MCU）MSP430FG4270，是一個16位超低功耗MCU，具有32KB閃存、256BRAM、16位Σ-ΔA/D、12位D/A、兩個運算放大器和LCD驅動器，其內部結構框圖如圖2.3所示。

超低功耗MSP430FG4270MCU為了測量、監控并顯示溫度、血壓及其他生命體征等模擬生理輸入信號，集成了完整的模擬與數字信號鏈，并支持放大、過濾及數字轉換等信號調節技術，能夠為手持式醫療應用提供完整的信號鏈，將低功耗嵌入式技術的集成度提升到全新的水平，同時促使價格進一步降低。

MSP430FG4270 MCU集成了設計低成本便攜式醫療診斷設備所需的全系列功能。大容量片上存儲器與全系列集成模擬外設有助于盡可能降低組件成本，縮小系統占用空間，適用于多種便攜式應用，如個人血壓監控器、肺活量計、搏動器及心率監控器等便攜式應用。

MSP430FG4270采用16位RISC架構優化性能，延長電池使用壽命。該器件支持五種低功耗模式，待機功耗僅為2.1μA，非常有利于節電，而且從待機模式喚醒進入工作模式需時還不到6μs，一旦需要設備工作就能快速響應。片上功能集成了多種組件，其中包含一個支持內部參考與5個差動模擬輸入的高性能16位∑型ADC、一個12位DAC、兩個可配置的運算放大器、一個16位計時器、多個16位寄存器、32個I/O引腳、零功耗掉電復位功能以及支持高達56個扇區、具備對比控制功能的LCD驅動器，從而有助于減少外部組件數量。

TI為了加速產品上市進程，MSP430開發套件提供了完成整個項目所需的全部支持，其中包括IAR Embedded Workbench、Code Composer Studio Essentials集成開發環境（IDE）、一個USB調試與編程接口以及一個基于MSP430的目標板。

有關MSP430FG4270的更多內容請登錄www.ti.com查詢“MSP430FG42x0MIXEDSIG-NALMICROCONTROLLER”和“MSP430x4xxFamilyUser’sGuide”等文檔。

2.1.4 意法半導體（ST）32位超低功耗微控制器

為應對低功耗的嚴格要求，意法半導體（ST）推出了基于ARMCortex-M3內核的32位超低功耗微控制器STM32L，能夠有效降低靜態和動態功耗。

STM32L構建在意法半導體獨創的超低功耗平臺EnergyLite之上。該平臺采用130nm超低漏電流工藝，可降低25%的漏電流；并且產品系列之間采用相同的硬件架構，實現了外設兼容。無論是在工作還是睡眠模式下，EnergyLite平臺都能最大限度地提高能效。STM32L結構框圖如圖2.4所示。

STM32L專為功耗敏感應用而設計，它不僅達到了超低功耗目標，更實現了對能源的有效利用。新增的低功耗運行和低功耗睡眠模式，通過利用超低功耗穩壓器和振蕩器，微控制器可大幅降低低頻下的工作功耗。穩壓器不依賴電源電壓即可滿足電流要求。動態電壓升降功能可降低芯片在中低頻運行時的內部工作電壓。在正常運行模式下，閃存的電流消耗最低為230μA/MHz，STM32L的功耗/性能比降至185μA/DMIPS，而同類產品的該參考值通常大于443μA/DMIPS。

STM32L內置超低功耗的多重速率振蕩器，提供了7種低功耗頻率供選擇，包括64kHz、128kHz、256kHz、512kHz、1MHz、2MHz和4MHz。通過使用RTC振蕩器校正，精度可達±0.5%，能夠從停止模式或低功耗的睡眠模式下被喚醒。在以低功耗運行或低功耗睡眠方式進行監控操作時，效率非常高。此外，該系列產品具有更安全的低電壓復位（BOR）功能。STM32L超低功耗數據見表2.2。

表2.2 STM32L超低功耗數據

STM32L15×包含STM32L151和STM32L152兩款產品，其運算性能在32MHz頻率下可達30DMIPS，主振蕩器輸入為1～24MHz。STM32L151內置64KB閃存，STM32L152內置128KB閃存，并帶有LCD驅動。供電電壓在關閉BOR時為1.65～3.6V，開啟BOR時為1.8～3.6V。引腳范圍從48pin到144pin。該系列產品的I/O接口也非常豐富，擁有多達112個I/O接口。在便攜式醫療設備、報警系統、工業自動化、移動通信設備、表計、通用便攜式設備、娛樂產品以及傳感器等領域，都可以充分發揮其低功耗優勢。

除了極高的能效之外，STM32L還提供了許多安全功能來提高數據安全性，包括靈活的欠壓復位、片上閃存支持糾錯碼（ECC）、存儲器保護單元（MPU）、侵入監測、雙看門狗、芯片唯一標識、32位CRC、I/O端口保護和JTAG熔斷器等。

STM32L豐富了現有的STM32平臺。STM32包括高性能的F2、通用的F1和超低功耗的L1系列。STM32是目前業界最寬廣的基于Cortex-M3內核的微控制器系列，共有135個型號、7大產品系列，全系列產品的引腳、軟件和外設相互兼容。

2.1.5 超低功耗的32位AVRUC3L微控制器

AT32UC3L是完整的片上系統微控制器，它基于AVR32UCRISC處理器，最大運行頻率為50MHz。AVR32UC是高性能32位RISC微處理器核，專為對成本敏感的嵌入式應用設計，尤其具備低功耗、高代碼密度、高性能等特點。

該處理器包括存儲保護單元（MPU）以及一個快速且靈活的中斷控制器，用于支持現代操作系統和實時操作系統。通過豐富的DSP指令可實現較高級計算能力。

AT32UC3L嵌入了目前最先進的用于超低功耗的picoPower技術。它還應用功率控制技術，將有效功率降至0.5mW/MHz，在保留大量備份寄存器的情況下，將泄漏電流降至100nA。該設備在功能和功耗二者之間取得了很好的平衡，因此用戶在最低功耗的前提下，仍然能享受應用所需的特性。

采用DMA控制器，無須處理器的參與，即可實現外部設備和存儲器之間的數據傳輸。外部DMA控制器在傳輸連續的大型數據流時，可極大地降低相關費用。AT32UC3L引入了片上閃存和SRAM存儲器，以實現安全快速的存取。借助FlashVault技術，可將安全庫編寫到設備中。當CPU處于安全狀態時，可以運行安全庫，但它不能被設備中的非安全軟件讀取。最終用戶可使用該設備，并將自己的代碼編寫入設備中，同時也能訪問安全庫，而無須冒損害專用安全代碼的危險。

外部事件系統（Peripheral Event System）允許外部設備接收、做出反應并發送外部事件，而無須CPU的干預。異步中斷允許高級外設在低功率睡眠模式下運行。

電源管理員程序（Power Manager）提高了設計的靈活性和安全性。它支持SleepWalking功能，借助此功能，可基于外部事件有選擇地激活模塊，即使在睡眠模式下，即模塊時鐘處于停止狀態時，仍可實現此功能。功率監測由片上上電復位系統、停電檢測器（BOD）、電源監控器支持。該設備有幾個振蕩器，如數字頻率索相環（DFLL）、振蕩器0（OSC0），及系統實時時鐘振蕩器（RCSYS）。上述所有振蕩器都不能用做系統時鐘源。數字頻率索相環是個可編程內部振蕩器，頻率為20～150MHz。如果設備中還有一個精準振蕩器，如32kHz晶體振蕩器，這個DFLL可被調到高精確度。

看門狗定時器（WDT）會對設備進行重置，除非預定由軟件負責這個操作。憑借此操作，設備可由引致系統不穩定的狀態下復原。

集成了32kHz晶體振蕩器的異步定時器（AST）支持強大的實時時鐘功能，最大延時可長達136年。AST可在計數器模式或日歷模式下運行。

用頻率表（FREQM）可將時鐘頻率與已知參考時鐘比較，從而準確地測量時鐘頻率。

該器件包括6個相同的16位定時器/計數器（TC）通道。可對每個通道獨立地進行編程，以實現頻率測量、事件計數、時間間隔測量、脈沖生成、延時測定以寬度調整等操作。

脈沖寬度調整控制器（PWMA）提供8位PWM通道，可通過一個通用定時器對這些通道進行同步和控制。設備的每個I/O引腳都可使用一個PWM通道，以便能運行那些需要諸如LCD備光控制等多PWM輸出的應用。這些PWM通道可獨立運行，彼此采用獨立的工作負載循環；或者采用互連模式，在這種模式下，多個通道可同時發生改變。

AT32UC3L還具備USART、SPI或TWI等許多通信密集型應用需要的通信接口。它提供一個通用9通道模數轉換器（ADC），以及8個模擬比較器（AC）。ADC可以在10位模式下全速運行，或者在改進模式下以較低速度運行，提供的最大分辨率為12位。ADC還提供一個內部溫度傳感器輸入通道。模擬比較器可配對使用，用于檢測何時傳感電壓處于預定參考范圍之內，何時超出此界限。

電容式觸摸（CAT）模塊借助Qtouch技術，可感知外部電容觸摸傳感器上的觸摸。與普通按鍵不同，電容式觸摸傳感器并不采用外部機械組件，因此用戶應用中需要的維護也要少些。CAT模塊最多允許采用17個觸摸傳感器，如果連到8個傳感器陣列，最大則可用18個。觸摸傳感器可配置為自動操作，而無須軟件交互，并且當被激活時可從睡眠模式下被喚醒。

除了基本的運行時間控制之外，AT32UC3L還集成了2類+Nexus2.0片上調試（OCD）系統、帶非入侵式實時追蹤功能，可全速讀/寫內存存取。aWire-或者基于JTAG的調試程序通過NanoTrace接口實現其追蹤特性。通過復位引腳訪問的JTAG接口的全部特性通過單引腳aWire接口得以實現，同時JTAG引腳也可為通用I/O或外設所用。

愛特梅爾公司（AtmelCorporation）的32位AVRUC3LMCU內部結構框圖如圖2.5所示。

愛特梅爾公司采用picoPower技術將32位AVRUC3L微控制器（MCU）靜態功耗降低90%，動態功耗降低45%，為微控制器市場帶來了無與倫比的性能/功耗比。愛特梅爾32位AVRUC3LMCU的靜態電流低至9nA，該數值低于板上電源去耦鉭電容的漏電流值，甚至可與大多數先進電池技術的漏電流值相媲美。其動態功耗降低至165μA/MHz，較上一代產品改善了45%。32位UC3L內核在提供相同性能的條件下，其運行速度遠遠低于傳統MCU，因而能夠進一步降低功耗。

愛特梅爾picoPower低功耗技術能夠實現節能，全面滿足微控制器的功耗要求，包括動態工作模式和所有的睡眠模式。這些技術創新包括外設夢游（SleepWalking）功能，即外設能夠在非常低的功率狀態下工作，并在CPU處于睡眠期間完成合格的決策工作。

新型微控制器具有1.5DMIPS/MHz性能以及唾手可得的數字信號處理（DSP）指令，可為嵌入式系統工程師帶來超越以往的性能指標。這些產品的目標應用包括USB和藍牙耳機等音頻處理應用、游戲操縱桿和高級語音或觸摸人機接口裝置。

愛特梅爾32位AVRUC3L系列采用非常緊湊的5.5mm×5.5mmTLLGA封裝，具有高性能和低功耗特性，以滿足便攜應用的尺寸限制要求。

2.1.6 低功耗精密模擬微控制器ADuC7060/ADuC7061

ADuC706×系列是完全集成的8ksps、24位數據采集系統，內部結構框圖如圖2.6所示。在單芯片內集成高性能多信道Σ-Δ模數轉換器（ADC）、16位/32位ARM7TDMI?MCU和Flash/EE存儲器，它由內置兩個差分對或四個單端通道的主ADC和內置七個通道的輔助ADC組成，可以工作在單端模式或差分輸入模式下。片內集成一個單通道緩沖電壓輸出DAC。通過編程可以將DAC輸出范圍設置為四種電壓范圍之一。

微控制器內核為ARM7TDMI、16位/32位RISC，性能高達10MIPS；片內集成4KBSRAM和32KB非易失性Flash/EE存儲器。ARM7TDMI內核將所有存儲器和寄存器視為一個線性陣列，并通過一個片內振蕩器和鎖相環（PLL）產生最多10.24MHz的內部高頻時鐘信號。

ADuC706×包括四個定時器。定時器1為喚醒定時器，具有使器件離開省電模式的功能。定時器2可配置為看門狗定時器。同時提供了一個帶6個輸出通道的16位PWM。

ADuC706×內置一個高級中斷控制器。該矢量中斷控制器（VIC）可以為每個中斷分配一個優先級。它還支持嵌套中斷，每個IRQ和FIQ最多允許8級嵌套。如果將IRQ和FIQ中斷源合并，則可以支持總計16級嵌套中斷。片內出廠固件支持通過UART串行接口端口進行在線下載，同時也支持通過JTAG接口進行非介入仿真。

ADuC706×采用32引腳LFCSP（ADuC7061）、48引腳LQFP和48引腳LFCSP（ADuC7060）封裝。

ADuC706×采用2.375～2.625V電源供電，電流消耗見表2.3，不同的工作模式消耗電流不同。其工作溫度范圍為-40～+125℃。

表2.3 ADuC706×的電流消耗

ADuC706×工作電壓范圍為2.375～2.625V。模擬電源引腳和數字電源引腳（分別對應AVDD和DVDD）是分離的，因此，AVDD不受系統DVDD線路上經常出現的干擾數字信號的影響。在這種模式下，器件可以在分離電源下工作；也就是說，各個電源的電壓可以是不同的。例如，系統的DVDD工作電壓為2.6V，而AVDD電壓為2.5V；反之亦然。采用雙電源供電的電路如圖2.7所示。

除了使用兩個分離的電源以外，還可以通過在AVDD和DVDD之間串聯一個小電阻和/或磁珠來降低AVDD的噪聲，然后將AVDD對地單獨去耦。采用單電源供電電路如圖2.8所示。使用這種方法，其他模擬電路（如運算放大器、基準電壓源）也可以通過AVDD供電。

注意：（1）圖2.7和圖2.8中，在DVDD處有一個大容值（10μF）儲能電容，在AVDD處有一個10μF的電容。此外，芯片的每一個AVDD和DVDD引腳都連接了一個小容值（0.1μF）電容。在標準的設計中，必須確保包括所有這些電容且電容量越小的電容越接近AVDD引腳，布線長度也應盡量越短越好。這些電容的接地線端直接連接到地平面即可。

（2）無論在任何時候，ADuC706×的模擬和數字接地引腳必須以同一系統接地基準點為基準。

（3）當DVDD的電壓為1.8V時，它必須在128ms內斜升至2.25V。這是內部上電復位電路要求必備的條件。