第2章 低功耗微控制器电路设计

2.1 选择低功耗的微控制器

2.1.1 低功耗8位PIC单片机系列

Microchip Technology Inc.推出的采用nanoWattXLP技术的全新8位PIC单片机（MCU）系列，包括PIC18F13K22、PIC18LF13K22、PIC18F14K22和PIC18LF14K22，该系列芯片可以实现极低的休眠电流。其高性能、低功耗的MCU，能在1.8～5.5V电压下工作，具备高达16KB的闪存程序存储器，64MHz精确内部振荡器；具备SPI/I2C接口和地址掩码的主同步串口（MSSP），12通道的10位模数转换器（ADC），支持mTouch容性触摸传感（最多四个按钮）的S/R锁存模块；具备转向功能的增强型捕捉/比较/PWM（ECCP），两个轨到轨比较器，可编程欠压复位（BOR）等，内部结构框图如图2.1所示，所有芯片采用20引脚PDIP、SSOP、SOIC和4mm×4mmQFN封装。

PIC18F1XK22/LF1XK22系列的所有器件都具有能够在工作时显著降低功耗的功能，主要有以下几项。

（1）多种空闲模式：控制器还可在其CPU内核禁止而外设仍然工作的情况下工作。处于这些状态时，功耗能降得更低，只有正常工作时的4%。

（2）动态模式切换：在器件工作期间可由用户代码调用功耗管理模式，允许用户将节能的理念融入到他们的应用软件设计中。

（3）关键模块低功耗：Timer（定时器）1和看门狗定时器模块的功耗需求可降至最小。

采用nanoWatt XLP技术，PIC18LF1XK22 MCU在电压为1.8V时，休眠电流的典型值可低至34nA；在电压为1.8V且采用32kHz晶振时，Timer1振荡器的电流典型值可低至800nA；在电压为1.8V时，看门狗定时器的电流典型值可低至300nA。因此，该系列器件能以更低的功耗（或更少的电池更换次数）运行更长的时间。

Microchip提供一套完整的标准开发工具供设计人员使用PIC18F1XK22/LF1XK22系列单片机进行设计。设计人员可以使用统一的、功能丰富、界面友好的免费MPLABIDE，以及可供选择的MPLABC和HI-TECHC编译器。精简版MPLABC和HI-TECHC编译器是完全免费、功能完备的编译器，无使用期限。针对程序空间有限的应用，标准版和专业版可提供更加紧凑的代码和增强的性能。Microchip也提供丰富的调试硬件，包括广受欢迎的PICkit3 DebugExpress、新的在线调试器MPLABICD3和MPLABREALICE在线仿真器。所有工具都能登录http：//www.microchipdirect.com购买。欲了解开发工具的详细信息，请登录ht-tp：//www.microchip.com/developmenttools。

PIC18F1XK22/LF1XK22系列MCU内部结构框图如图2.1所示。

2.1.2 意法半导体（ST）超低功耗8位MCU系列

意法半导体推出的基于超低功耗技术平台的8位MCU系列，具有26款相互兼容的器件，提供可扩展的性能，兼具低于400nA的静态功耗和业内领先的150μA/MHz动态电流，给设计工程师带来一个更佳的选择。

这个全新的STM8L超低功耗系列MCU基于意法半导体加强型RISC内核，时钟频率为16MHz，性能达到16MIPS。它以节省运行和待机功耗为特色，STM8L系列包含STM8L101、STM8L151和STM8L152。这些产品在外设集成和组件配置上有所不同，但所有系列均包括看门狗、复位电路、定时器、比较器、振荡器及多个通信外设等，涵盖多种高性能和多功能应用。STM8L内部结构框图如图2.2所示。

STM8L系列产品采用该公司独有的超低泄漏电流优化的130nm工艺。其技术优势包括在1.65～3.6V的整个电源电压范围内达到CPU最大工作频率，发挥CPU的全部性能。此外，由于采用一个片上稳压器，其功耗与VDD电压无关。

其他创新特性包括低功耗嵌入式非易失性存储器和多个电源管理模式，包括5.4μA低功耗运行模式、3.3μA低功耗待机模式、1μA主动停止模式（实时时钟运行）和350nA停止模式。STM8L可以在4μs内从停止模式唤醒，支持频繁使用最低功耗模式。其低功耗外设包括小于1μA的实时时钟和自动唤醒（AWU）模块，有助于进一步节省电能。这个平台可将动态电流消耗降到150μA/MHz。

该低功耗平台的另一个特性是确保集成的模拟电路在低至1.8V工作电压时仍可操作，在整个VDD电压范围内最大化MCU的功能。开发工程师还将获益于STM8L全系列器件在引脚和软件上的兼容性，以及与意法半导体的STM32系列32位MCU共用外设接口所带来的设计灵活性与扩展性。

这些产品大大改善了动态功耗和静态功耗，性能/功耗比达到新高，最低350nA即可保持SRAM数据。STM8L101和STM8L15×的低功耗数据见表2.1。

表2.1 STM8L101和STM8L15×的低功耗数据

设计工程师采用这些低功耗STM8L系列可以符合包括“能源之星”、IEA的“1W节能计划”在内的低功耗产品设计标准，并提高终端产品的性能和功能，满足以市场为导向的需求，如终端用户对节能环保产品的需求，以及便携设备、各种医疗设备、工业设备、电子计量设备、感应或安保设备对电池使用周期的要求等。

2.1.3 16位超低功耗MCU MSP430FG4270

得州仪器（TI）公司推出一款片上系统（SoC）微控制器单元（MCU）MSP430FG4270，是一个16位超低功耗MCU，具有32KB闪存、256BRAM、16位Σ-ΔA/D、12位D/A、两个运算放大器和LCD驱动器，其内部结构框图如图2.3所示。

超低功耗MSP430FG4270MCU为了测量、监控并显示温度、血压及其他生命体征等模拟生理输入信号，集成了完整的模拟与数字信号链，并支持放大、过滤及数字转换等信号调节技术，能够为手持式医疗应用提供完整的信号链，将低功耗嵌入式技术的集成度提升到全新的水平，同时促使价格进一步降低。

MSP430FG4270 MCU集成了设计低成本便携式医疗诊断设备所需的全系列功能。大容量片上存储器与全系列集成模拟外设有助于尽可能降低组件成本，缩小系统占用空间，适用于多种便携式应用，如个人血压监控器、肺活量计、搏动器及心率监控器等便携式应用。

MSP430FG4270采用16位RISC架构优化性能，延长电池使用寿命。该器件支持五种低功耗模式，待机功耗仅为2.1μA，非常有利于节电，而且从待机模式唤醒进入工作模式需时还不到6μs，一旦需要设备工作就能快速响应。片上功能集成了多种组件，其中包含一个支持内部参考与5个差动模拟输入的高性能16位∑型ADC、一个12位DAC、两个可配置的运算放大器、一个16位计时器、多个16位寄存器、32个I/O引脚、零功耗掉电复位功能以及支持高达56个扇区、具备对比控制功能的LCD驱动器，从而有助于减少外部组件数量。

TI为了加速产品上市进程，MSP430开发套件提供了完成整个项目所需的全部支持，其中包括IAR Embedded Workbench、Code Composer Studio Essentials集成开发环境（IDE）、一个USB调试与编程接口以及一个基于MSP430的目标板。

有关MSP430FG4270的更多内容请登录www.ti.com查询“MSP430FG42x0MIXEDSIG-NALMICROCONTROLLER”和“MSP430x4xxFamilyUser’sGuide”等文档。

2.1.4 意法半导体（ST）32位超低功耗微控制器

为应对低功耗的严格要求，意法半导体（ST）推出了基于ARMCortex-M3内核的32位超低功耗微控制器STM32L，能够有效降低静态和动态功耗。

STM32L构建在意法半导体独创的超低功耗平台EnergyLite之上。该平台采用130nm超低漏电流工艺，可降低25%的漏电流；并且产品系列之间采用相同的硬件架构，实现了外设兼容。无论是在工作还是睡眠模式下，EnergyLite平台都能最大限度地提高能效。STM32L结构框图如图2.4所示。

STM32L专为功耗敏感应用而设计，它不仅达到了超低功耗目标，更实现了对能源的有效利用。新增的低功耗运行和低功耗睡眠模式，通过利用超低功耗稳压器和振荡器，微控制器可大幅降低低频下的工作功耗。稳压器不依赖电源电压即可满足电流要求。动态电压升降功能可降低芯片在中低频运行时的内部工作电压。在正常运行模式下，闪存的电流消耗最低为230μA/MHz，STM32L的功耗/性能比降至185μA/DMIPS，而同类产品的该参考值通常大于443μA/DMIPS。

STM32L内置超低功耗的多重速率振荡器，提供了7种低功耗频率供选择，包括64kHz、128kHz、256kHz、512kHz、1MHz、2MHz和4MHz。通过使用RTC振荡器校正，精度可达±0.5%，能够从停止模式或低功耗的睡眠模式下被唤醒。在以低功耗运行或低功耗睡眠方式进行监控操作时，效率非常高。此外，该系列产品具有更安全的低电压复位（BOR）功能。STM32L超低功耗数据见表2.2。

表2.2 STM32L超低功耗数据

STM32L15×包含STM32L151和STM32L152两款产品，其运算性能在32MHz频率下可达30DMIPS，主振荡器输入为1～24MHz。STM32L151内置64KB闪存，STM32L152内置128KB闪存，并带有LCD驱动。供电电压在关闭BOR时为1.65～3.6V，开启BOR时为1.8～3.6V。引脚范围从48pin到144pin。该系列产品的I/O接口也非常丰富，拥有多达112个I/O接口。在便携式医疗设备、报警系统、工业自动化、移动通信设备、表计、通用便携式设备、娱乐产品以及传感器等领域，都可以充分发挥其低功耗优势。

除了极高的能效之外，STM32L还提供了许多安全功能来提高数据安全性，包括灵活的欠压复位、片上闪存支持纠错码（ECC）、存储器保护单元（MPU）、侵入监测、双看门狗、芯片唯一标识、32位CRC、I/O端口保护和JTAG熔断器等。

STM32L丰富了现有的STM32平台。STM32包括高性能的F2、通用的F1和超低功耗的L1系列。STM32是目前业界最宽广的基于Cortex-M3内核的微控制器系列，共有135个型号、7大产品系列，全系列产品的引脚、软件和外设相互兼容。

2.1.5 超低功耗的32位AVRUC3L微控制器

AT32UC3L是完整的片上系统微控制器，它基于AVR32UCRISC处理器，最大运行频率为50MHz。AVR32UC是高性能32位RISC微处理器核，专为对成本敏感的嵌入式应用设计，尤其具备低功耗、高代码密度、高性能等特点。

该处理器包括存储保护单元（MPU）以及一个快速且灵活的中断控制器，用于支持现代操作系统和实时操作系统。通过丰富的DSP指令可实现较高级计算能力。

AT32UC3L嵌入了目前最先进的用于超低功耗的picoPower技术。它还应用功率控制技术，将有效功率降至0.5mW/MHz，在保留大量备份寄存器的情况下，将泄漏电流降至100nA。该设备在功能和功耗二者之间取得了很好的平衡，因此用户在最低功耗的前提下，仍然能享受应用所需的特性。

采用DMA控制器，无须处理器的参与，即可实现外部设备和存储器之间的数据传输。外部DMA控制器在传输连续的大型数据流时，可极大地降低相关费用。AT32UC3L引入了片上闪存和SRAM存储器，以实现安全快速的存取。借助FlashVault技术，可将安全库编写到设备中。当CPU处于安全状态时，可以运行安全库，但它不能被设备中的非安全软件读取。最终用户可使用该设备，并将自己的代码编写入设备中，同时也能访问安全库，而无须冒损害专用安全代码的危险。

外部事件系统（Peripheral Event System）允许外部设备接收、做出反应并发送外部事件，而无须CPU的干预。异步中断允许高级外设在低功率睡眠模式下运行。

电源管理员程序（Power Manager）提高了设计的灵活性和安全性。它支持SleepWalking功能，借助此功能，可基于外部事件有选择地激活模块，即使在睡眠模式下，即模块时钟处于停止状态时，仍可实现此功能。功率监测由片上上电复位系统、停电检测器（BOD）、电源监控器支持。该设备有几个振荡器，如数字频率索相环（DFLL）、振荡器0（OSC0），及系统实时时钟振荡器（RCSYS）。上述所有振荡器都不能用做系统时钟源。数字频率索相环是个可编程内部振荡器，频率为20～150MHz。如果设备中还有一个精准振荡器，如32kHz晶体振荡器，这个DFLL可被调到高精确度。

看门狗定时器（WDT）会对设备进行重置，除非预定由软件负责这个操作。凭借此操作，设备可由引致系统不稳定的状态下复原。

集成了32kHz晶体振荡器的异步定时器（AST）支持强大的实时时钟功能，最大延时可长达136年。AST可在计数器模式或日历模式下运行。

用频率表（FREQM）可将时钟频率与已知参考时钟比较，从而准确地测量时钟频率。

该器件包括6个相同的16位定时器/计数器（TC）通道。可对每个通道独立地进行编程，以实现频率测量、事件计数、时间间隔测量、脉冲生成、延时测定以宽度调整等操作。

脉冲宽度调整控制器（PWMA）提供8位PWM通道，可通过一个通用定时器对这些通道进行同步和控制。设备的每个I/O引脚都可使用一个PWM通道，以便能运行那些需要诸如LCD备光控制等多PWM输出的应用。这些PWM通道可独立运行，彼此采用独立的工作负载循环；或者采用互连模式，在这种模式下，多个通道可同时发生改变。

AT32UC3L还具备USART、SPI或TWI等许多通信密集型应用需要的通信接口。它提供一个通用9通道模数转换器（ADC），以及8个模拟比较器（AC）。ADC可以在10位模式下全速运行，或者在改进模式下以较低速度运行，提供的最大分辨率为12位。ADC还提供一个内部温度传感器输入通道。模拟比较器可配对使用，用于检测何时传感电压处于预定参考范围之内，何时超出此界限。

电容式触摸（CAT）模块借助Qtouch技术，可感知外部电容触摸传感器上的触摸。与普通按键不同，电容式触摸传感器并不采用外部机械组件，因此用户应用中需要的维护也要少些。CAT模块最多允许采用17个触摸传感器，如果连到8个传感器阵列，最大则可用18个。触摸传感器可配置为自动操作，而无须软件交互，并且当被激活时可从睡眠模式下被唤醒。

除了基本的运行时间控制之外，AT32UC3L还集成了2类+Nexus2.0片上调试（OCD）系统、带非入侵式实时追踪功能，可全速读/写内存存取。aWire-或者基于JTAG的调试程序通过NanoTrace接口实现其追踪特性。通过复位引脚访问的JTAG接口的全部特性通过单引脚aWire接口得以实现，同时JTAG引脚也可为通用I/O或外设所用。

爱特梅尔公司（AtmelCorporation）的32位AVRUC3LMCU内部结构框图如图2.5所示。

爱特梅尔公司采用picoPower技术将32位AVRUC3L微控制器（MCU）静态功耗降低90%，动态功耗降低45%，为微控制器市场带来了无与伦比的性能/功耗比。爱特梅尔32位AVRUC3LMCU的静态电流低至9nA，该数值低于板上电源去耦钽电容的漏电流值，甚至可与大多数先进电池技术的漏电流值相媲美。其动态功耗降低至165μA/MHz，较上一代产品改善了45%。32位UC3L内核在提供相同性能的条件下，其运行速度远远低于传统MCU，因而能够进一步降低功耗。

爱特梅尔picoPower低功耗技术能够实现节能，全面满足微控制器的功耗要求，包括动态工作模式和所有的睡眠模式。这些技术创新包括外设梦游（SleepWalking）功能，即外设能够在非常低的功率状态下工作，并在CPU处于睡眠期间完成合格的决策工作。

新型微控制器具有1.5DMIPS/MHz性能以及唾手可得的数字信号处理（DSP）指令，可为嵌入式系统工程师带来超越以往的性能指标。这些产品的目标应用包括USB和蓝牙耳机等音频处理应用、游戏操纵杆和高级语音或触摸人机接口装置。

爱特梅尔32位AVRUC3L系列采用非常紧凑的5.5mm×5.5mmTLLGA封装，具有高性能和低功耗特性，以满足便携应用的尺寸限制要求。

2.1.6 低功耗精密模拟微控制器ADuC7060/ADuC7061

ADuC706×系列是完全集成的8ksps、24位数据采集系统，内部结构框图如图2.6所示。在单芯片内集成高性能多信道Σ-Δ模数转换器（ADC）、16位/32位ARM7TDMI®MCU和Flash/EE存储器，它由内置两个差分对或四个单端通道的主ADC和内置七个通道的辅助ADC组成，可以工作在单端模式或差分输入模式下。片内集成一个单通道缓冲电压输出DAC。通过编程可以将DAC输出范围设置为四种电压范围之一。

微控制器内核为ARM7TDMI、16位/32位RISC，性能高达10MIPS；片内集成4KBSRAM和32KB非易失性Flash/EE存储器。ARM7TDMI内核将所有存储器和寄存器视为一个线性阵列，并通过一个片内振荡器和锁相环（PLL）产生最多10.24MHz的内部高频时钟信号。

ADuC706×包括四个定时器。定时器1为唤醒定时器，具有使器件离开省电模式的功能。定时器2可配置为看门狗定时器。同时提供了一个带6个输出通道的16位PWM。

ADuC706×内置一个高级中断控制器。该矢量中断控制器（VIC）可以为每个中断分配一个优先级。它还支持嵌套中断，每个IRQ和FIQ最多允许8级嵌套。如果将IRQ和FIQ中断源合并，则可以支持总计16级嵌套中断。片内出厂固件支持通过UART串行接口端口进行在线下载，同时也支持通过JTAG接口进行非介入仿真。

ADuC706×采用32引脚LFCSP（ADuC7061）、48引脚LQFP和48引脚LFCSP（ADuC7060）封装。

ADuC706×采用2.375～2.625V电源供电，电流消耗见表2.3，不同的工作模式消耗电流不同。其工作温度范围为-40～+125℃。

表2.3 ADuC706×的电流消耗

ADuC706×工作电压范围为2.375～2.625V。模拟电源引脚和数字电源引脚（分别对应AVDD和DVDD）是分离的，因此，AVDD不受系统DVDD线路上经常出现的干扰数字信号的影响。在这种模式下，器件可以在分离电源下工作；也就是说，各个电源的电压可以是不同的。例如，系统的DVDD工作电压为2.6V，而AVDD电压为2.5V；反之亦然。采用双电源供电的电路如图2.7所示。

除了使用两个分离的电源以外，还可以通过在AVDD和DVDD之间串联一个小电阻和/或磁珠来降低AVDD的噪声，然后将AVDD对地单独去耦。采用单电源供电电路如图2.8所示。使用这种方法，其他模拟电路（如运算放大器、基准电压源）也可以通过AVDD供电。

注意：（1）图2.7和图2.8中，在DVDD处有一个大容值（10μF）储能电容，在AVDD处有一个10μF的电容。此外，芯片的每一个AVDD和DVDD引脚都连接了一个小容值（0.1μF）电容。在标准的设计中，必须确保包括所有这些电容且电容量越小的电容越接近AVDD引脚，布线长度也应尽量越短越好。这些电容的接地线端直接连接到地平面即可。

（2）无论在任何时候，ADuC706×的模拟和数字接地引脚必须以同一系统接地基准点为基准。

（3）当DVDD的电压为1.8V时，它必须在128ms内斜升至2.25V。这是内部上电复位电路要求必备的条件。