STM8L15X系列微處理器的超低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)

譚 靖

（95478部隊(duì)，重慶，400000）

STM8L15X系列微處理器的超低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)

譚 靖

（95478部隊(duì)，重慶，400000）

近年來，隨著穿戴式智能設(shè)備、便攜式電子產(chǎn)品的迅速發(fā)展，對微處理器的低功耗提出了更高的要求。文中根據(jù)低功耗微處理器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對ST公司最近推出的STM8L15X系列微處理器的超低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

微處理器；功耗；低功耗芯片設(shè)計(jì)

隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，微處理器中晶體管的數(shù)量呈幾何級數(shù)增長，且集成度和時(shí)鐘頻率也越來越高，導(dǎo)致微處理器的功耗迅速增加。而近年來迅速發(fā)展起來的嵌入式應(yīng)用，不但需要高性能的微處理器，而且對其低功耗也提出了更高的要求。目前，多家芯片廠商都推出了低功耗微處理器，其中ST公司的STM8L15X系列超低功耗微處理器是目前市場上性價(jià)比較高、使用較為廣泛的超低功耗微處理器之一，文中將對該微處理器的低功耗技術(shù)和性能進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 STM8L15X系列微處理器簡介

STM8L15X系列微處理器基于意法半導(dǎo)體加強(qiáng)型RISC內(nèi)核，16MHz時(shí)鐘頻率可達(dá)16MIPS。同時(shí)片內(nèi)資源豐富，具有12位ADC和DAC，2路超低電壓比較器，支持多種外設(shè)的DMA通道，F(xiàn)LASH高達(dá)32KB、RAM高達(dá)2KB，并集成了低電壓RTC。

2 STM8L系列微處理器的超低功耗技術(shù)

該系列芯片采用了意法半導(dǎo)體自主研發(fā)的最新130nm超低漏電流工藝，極大地改善了動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗，性能/功耗比達(dá)到新高，在低功耗待機(jī)模式下，電流可以降到0.5uA以下。下面詳細(xì)分析該系列微處理器的超低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)。

2.1 電壓調(diào)節(jié)器

由于微處理器的動(dòng)態(tài)功耗與工作電壓平方成正比，通過降低工作電壓，能夠?qū)⒐臏p少到最低。目前多數(shù)8位低功耗微處理器的工作電壓為3-6V，而STM8L15X系列微處理器通過內(nèi)置電壓調(diào)節(jié)器可以將工作電壓降到1.8V或1.55V，并由用戶根據(jù)系統(tǒng)工作情況，對功耗管理模式做出調(diào)整，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)工作電壓，在不降低性能的同時(shí)減耗。

STM8L15X系列微處理器內(nèi)置了主電壓調(diào)節(jié)器（MVR）和低功耗電壓調(diào)節(jié)器（LPVR）。兩種調(diào)節(jié)器對應(yīng)了兩種工作模式：正常運(yùn)行模式和低功耗運(yùn)行模式。在正常運(yùn)行模式中，由主電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生1.8V工作電源提供給內(nèi)核和外設(shè)，供電能力達(dá)到25mA，但自身功耗也比較大。在低功耗運(yùn)行模式中，由低功耗電壓調(diào)節(jié)器為微處理器數(shù)字部分提供1.55V、200uA電源，此時(shí)，不但工作電壓低，而且調(diào)節(jié)器自身功耗也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于主電壓調(diào)節(jié)器。在正常運(yùn)行模式下，當(dāng)輸入電壓低于1.8V時(shí)，工作電壓將直接由輸入電源提供；在低功耗模式下，由LPVR提供1.55V電壓。

2.2 時(shí)鐘頻率和外設(shè)時(shí)鐘控制

微處理器的總功耗，可以用固定電壓下的工作電流來表示：

式中靜態(tài)部分取決于使能外設(shè)的數(shù)量，動(dòng)態(tài)部分直接與時(shí)鐘頻率成正比。因此選擇合理的時(shí)鐘類型，設(shè)置合適的時(shí)鐘頻率，切斷暫時(shí)未使用的邏輯模塊時(shí)鐘，也能極大減少系統(tǒng)功耗。

STM8L15X系列所用的時(shí)鐘源主要有4個(gè)：HSE(外部高速晶振)、HIS（內(nèi)部16M RC振蕩器）、LSE(外部低速晶振)以及LSI（內(nèi)部38KHz低速振蕩器）。這四個(gè)時(shí)鐘通過選擇器進(jìn)行選擇，并通過系統(tǒng)的分頻器進(jìn)行（1-128）分頻。

在正常運(yùn)行模式下，所有外設(shè)時(shí)鐘關(guān)閉，程序從RAM中執(zhí)行，外部供電電壓3V，采用HSI時(shí)鐘源，在不同頻率下的典型電流值可用公式2近似表示。

Analysis on Low-power design technology of STM8L15X microcontroller family

Tan Jing
(The 95478 Unit of PLA, Chongqing,400000,China）

In recent years,with the rapid development of wearable smart device,portable electronic products etc,higher requirement for low power consumption of microcontrollers are presented.This paper described the design features of low power microcontrollers,and discussed the advanced technology for Ultra Low Power Consumption used in STM8L15X microcontroller family.

microcontrollers;power consumption;low-power chip design