一种低功耗MCU芯片的设计方法

一种低功耗 MCU芯片的设计方法

臧高勇

深圳市中兴微电子技术有限公司 江苏南京 210000

摘要：随着科学技术的不断发展，为了满足人们更高的物质需求，物联网技术应运而生。然而在物联网技术的推广过程中，由于芯片的大面积使用而导致功耗较高。为了尽可能解决这一问题，就需要发明一种低功耗的芯片，通过这样的方式能够大大提升物联网的推广效率。本文主要研究一种低功耗芯片技术，并对其设计理念进行了详细的阐述，以期能够解决目前芯片技术面临的一大难题。

关键词：低功耗；芯片；设计方法

一、引言

随着科技的不断进步，如今我们已然进入了物联网时代，在这样的大环境下，相关企业对MCU芯片的需求逐渐增加。虽然相比于发达国家，我国的MCU芯片技术发展起步较晚，尚未形成较为成熟的技术来满足客户的全方位需求。但是经过调查发现，我国拥有世界上最大的芯片需求市场，本土企业能够更容易满足我国企业的需求。由此看来，虽然本土芯片企业面临着较大的技术挑战，但是却拥有着前所未有的机遇。为了能够使本土企业的芯片技术发展成熟，就需要在功耗设计上做出更大的改革和创新，只有通过这样的方式，本土的MCU技术企业才能够与国外的芯片企业具有相同的技术优势^[1]。

二、MCU技术概述

实际上，MCU芯片技术在设计之初主要用于工业企业和一些消费市场当中，在这些使用环境下对芯片的技术要求并不高。但是随着MCU技术的不断推广，其在不同的领域都有所发展，这就要求芯片公司不仅需要提升MCU的生产量，更需要对MCU的功能就行改进。 经过调查发现，为了满足高端市场的需求，MCU对其技术架构进行了改进，从传统的51 core 转变为如今的AMR 内核。不仅如此，经过调查发现，随着MCU芯片的还会根据需求的不同，选择不同 bit MCU^[2]。

值得注意的是，相关企业需要根据不同性能以及成本的需求，选择不同 bit MCU。具体来讲，如果一个企业更加注重成本，而对MCU的要求降低，那么就可以选择8 bit MCU。反之，如果企业在运行的过程中需要更高的处理能力，那么就需要选择配置较高的32 bit MCU。经过调查发现，MCU芯片在设计的过程中会涵盖很多关键技术，例如：站在系统设计的角度，相关人员需要思考将MCU的系统架构设置为哪种类型，不仅如此，如何在数字电路中运用MCU技术也是一大难题。虽然MCU芯片涵盖了较多的关键问题，本文主要站在低功耗的角度对MCU进行相应的设计与改进。

三、MCU 的低功耗设计

经过调查发现，随着科技的不断发展，如今越来越多的设备都通过电池来进行供电，在这个过程中不仅需要MCU拥有较多的功能，更是要求其具有低功耗的性能，只有通过这样的方式才能够满足设备的长时间使用。低功耗的芯片设计能够使得大多数设备的待机时间得以延长。由此看来，MCU 的低功耗需要满足两种环境下的使用，除了正常使用过程中的功耗降低，还需要在睡眠模式下保持一种低功耗的状态。值得注意的是，在正常模式下，芯片需要在保证正常工作的情况下满足低功耗的需求。不仅如此，在设备的睡眠模式下，芯片也需要保持低功耗的状态，通过这样的方式能够大大延长电池的寿命。本文就将针对设备运行的两种模式——正常模式与睡眠模式，来研究MCU芯片的低功耗设计问题，以下将进行详细的阐述。

（一）正常模式的低功耗设计

一般情况下，MCU 芯片在结束了相关数据的处理程序后就会从正常模式转变为睡眠模式。经过调查发现，如果设备处于正常模式下，那么其芯片的功耗主要包含两个方面，分别为：第一、处于数字动态下的芯片功耗，这一部分属于动态功耗；第二、以模拟状态为主的芯片运转，这一部分属于静态功耗。由此看来，为了控制正常模式下的低功耗运转，就需要从这两个方面下手，二者缺一不可，只有通过这样的方式才能够从根本上解决正常模式的低功耗问题。

值得注意的是，在设备的正常模式下，为了能够减少功耗问题，就需要控制开关的频率。但是在实际的实验过程中发现，一旦降低了工作电压，那么就会导致芯片的运转速度大大降低，进而影响到数字电路的抗干扰能力。因此，为了解决这一问题，可以使用Clock gated 技术来对芯片进行改进，通过这样的方式能够使数字模块仅仅工作的过程中存在较大的功耗。除此之外，相关人员还可以通过降低系统频率的方式来达到低功耗的问题，然而这一改进过程中也会造成芯片的处理能力下降。由此看来，芯片低功耗的设计过程中还需要具体结合设备的需求。

（二）睡眠模式下的低功耗设计

值得注意的是，MCU芯片除了需要在正常模式下进行低功耗改进，还需要对睡眠模式引起足够的重视。经过调查发现，睡眠模式下主要有以下几个方面会对功耗产生影响，以下将进行具体的阐述：

第一、经过调查发现，很多芯片公司在对MCU芯片进行设计的过程中忽视了工艺的重要性。如果能够在MCU的睡眠模式下，将电子线路设计为power down模式，那么就能够大大降低漏电的概率发生，进而实现低功耗的目标。第二、在实际的生产过程中发现，如果芯片的工艺越先进，那么出现漏电的概率就会越大。为了防止这一事情的发生，技术人员可以采用Low leakage技术来对芯片的工艺进行改进。不仅如此，在改进的过程中，技术人员还需要加强低功耗性能的评估问题。第三、在设备进行睡眠状态后，芯片需要对功耗进行全面的评估处理，这评估的过程中需要对以下问题进行分析：芯片是否需要对power gate 进行合理的把控；芯片在进入睡眠模式后如何对不同的模块进行科学供电；供电的电压需要达到多少。这些问题都会对低功耗设计产生影响。第四、技术人员除了需要对上述的三个方面进行改进之外，还需要对MCU的数字电路进行合理的设计。经过调查发现，睡眠模式下的低功耗问题主要有两方面的影响因素，其一为LDO，其二为时钟及复位的模块。这是因为LDO 作为MCU睡眠模式下的供电模块，其本身就需要采用低功耗的设计方法，不仅如此，MCU芯片并不需要LDO拥有较高的电压精度，因此低功耗设计并不会对其运行造成不利的影响。但是，如果MCU需要对时钟模块进行低功耗改进，就需要具体根据系统的定义来进行相应的选择。究其原因是时钟模块对于精准度的要求较高。另外，芯片的模拟也需要提供 Reset 模块来监控外部电源的情况，如果此时的电源电压数值过低，那么就需要对芯片及时输出相应的指示信号。第五、对于数字电路的模块，其在进入睡眠模式后，常开的逻辑电路一般对于时序要求并不高，由此看来，技术人员如果想要对睡眠模式的低功耗进行改进就可以对供电电压进行适当的降低，通过这样的方式可以使芯片利用尽可能低的时钟来保持一定的工作状态。另外一个非常重要的模块是RAM 的设计，RAM 在芯片进入睡眠模式后，一部分会 power down。另外一部分电路则仍需要处于保持模式，这一部分电路主要用来存储一定的数据，虽然在这一过程中既不会进行读也不会进行写操作，但是只要保持这一状态就可以完成数据存储的功能。而 RAM 的电流占到数字电流很大的比列，通常采用的 RAM 功耗降低的方法有降低 RAM 的工作电压或采用特殊结果的 RAM 电路来降低功耗。

四、结束语

通过上述的分析可以发现，随着MCU芯片技术的不断发展，如今越来越多的企业注重其低功耗问题。因此，设计出一款低功耗的芯片是目前大多数芯片公司的技术难题。实际上，为了能够解决低功耗这一难题，芯片公司需要对不同的方面进行改良与优化，本文仅仅是对几个关键技术进行详细的阐述，未来相信还会出现更多优质技术来对芯片的功耗问题进行改进，这有通过这样的方式才能够从根本上促进芯片在物联网方面的运用^[3]。

参考文献：

1. 单祥茹. Dialog为什么敢说DA1469x是业内独一无二的蓝牙低功耗MCU?[J]. 中国电子商情(基础电子), 2019(03):25-26.

2. 迎九. 赋能蓝牙和电源管理,Dialog跻身32位MCU领域[J]. 电子产品世界, 2019(04):22-25.

3. 于津, 罗一平, 屈宏峰. 嵌入式单片机应用系统及低功耗技术研究[J]. 华东科技(综合), 2019(2):11.