在開(kāi)始討論低功耗MCU設(shè)計(jì)前，必須先探討MCU功耗的來(lái)源，其主要由靜態(tài)功耗及運(yùn)行功耗兩部分組成?？紤]實(shí)際的應(yīng)用，最后決定系統(tǒng)功耗性能指針則必須計(jì)算平均功耗。

    運(yùn)行功耗

    現(xiàn)代 MCU 已整合相當(dāng)多的的模擬外圍，不能單純考慮數(shù)字電路的動(dòng)態(tài)功耗。MCU 運(yùn)行時(shí)的總功耗由模擬外圍功耗和數(shù)字外圍的動(dòng)態(tài)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(lái)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(dāng)允許傳遞延遲規(guī)格為 1 μs 時(shí)，工作電流有機(jī)會(huì)降到個(gè)位數(shù)微安。

    數(shù)字電路的動(dòng)態(tài)功耗主要來(lái)自開(kāi)關(guān)頻率、電壓及等效負(fù)載電容，其計(jì)算公式如下：

    PDynamIC (動(dòng)態(tài)功耗) ~ f (工作頻率) x CL (等效負(fù)載電容) x VDD2 (工作電壓)

    由以上公式可以理解到降低動(dòng)態(tài)功耗最直接的方式為降低工作電壓及工作頻率。但 MCU 實(shí)際應(yīng)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(guò) LDO 讓 CPU 內(nèi)核、數(shù)字電路及與管腳輸出入電壓無(wú)關(guān)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(tǒng)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(xiàng)參數(shù)上，一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的 32 位 MCU更能突顯其效能優(yōu)勢(shì)，除了直覺(jué)的 MIPS 比較之外，32 位總線也代表更高的數(shù)據(jù)存取帶寬，能以更低的工作頻率達(dá)到相同的效能，進(jìn)而降低整體功耗。另外，如果 MCU 內(nèi)建與操作頻率相關(guān)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(zhuǎn)換頻率成正比，也要納入低功耗 MCU 的動(dòng)態(tài)功耗設(shè)計(jì)考慮。

     傳統(tǒng)靜態(tài)功耗的定義是指系統(tǒng)時(shí)鐘源關(guān)閉時(shí)數(shù)字電路的漏電流。但是在混合信號(hào)低功耗 MCU 的設(shè)計(jì)中要同時(shí)考慮下列多種漏電流來(lái)源，包含數(shù)字電路漏電流、SRAM 漏電流、待機(jī)時(shí)已關(guān)閉的仿真電路漏電流 (例如 ADC,嵌入式閃存)、待機(jī)時(shí)不關(guān)閉的仿真電路工作電流 (例如 LDO、BOD) 及 IO 管腳的漏電流。因?yàn)闀r(shí)鐘源已關(guān)閉，影響靜態(tài)功耗的主要參數(shù)為制程、電壓及溫度。所以降低靜態(tài)功耗必須選擇超低功耗制程，但是低功耗制程通常伴隨較高的 Vt,導(dǎo)致低電壓模擬外圍設(shè)計(jì)困難。另外，以MCU待機(jī)電流 1微安的規(guī)格，代表數(shù)字電路漏電 + RAM 保持電流 + LDO 工作電流 + BOD (降壓偵測(cè)或重置電路) 工作電流總和必須小于 1微安，對(duì)于 Flash,RAM 越來(lái)越大及功能越來(lái)越多的低功耗 MCU 設(shè)計(jì)廠商而言，是十分艱巨的挑戰(zhàn)。

   在系統(tǒng)級(jí)要兼顧低功耗及高效能，必須考慮實(shí)際應(yīng)用面的需求，例如無(wú)線環(huán)境傳感器可能讓 MCU 主時(shí)鐘及 CPU 關(guān)閉，只開(kāi)啟低頻時(shí)鐘，定時(shí)喚醒外圍電路進(jìn)行偵測(cè)，當(dāng)符合設(shè)定條件的事件發(fā)生時(shí)快速啟動(dòng) CPU 進(jìn)行處理，即使沒(méi)有任何事件發(fā)生，也必須定時(shí)激活 CPU 維持無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)機(jī)。在遙控器的應(yīng)用中，則可能完全將所有時(shí)鐘源都關(guān)閉，當(dāng)用戶按鍵時(shí)快速喚醒時(shí)鐘源及 CPU 進(jìn)行處理。另外，許多應(yīng)用都會(huì)加入一個(gè) MCU 作為主機(jī)處理器的協(xié)處理器，用于監(jiān)控鍵盤(pán)或紅外線輸入、刷新顯示器、控制主處理器電源以及智能電池管理等任務(wù)。此時(shí)平均功耗比單純的運(yùn)行功耗或待機(jī)功耗更具指標(biāo)性意義。