（文章來源：OFweek）

設計低能耗系統時，我們需要關注一些非傳統因素，這些因素涉及范圍從硅芯片生產工藝技術，到基于單片機的嵌入式平臺上所運行的軟件。通過對系統層面的深入分析，本文討論決定MCU能效的三個關鍵參數：工作模式功耗、待機模式功耗和占空比（他決定各種狀態下所占用的時間比率，由軟件自身來決定）。

低能耗待機狀態使MCU看上去具有超高能效，但事實是，只有考慮了控制工作模式功耗的所有因素后才能決定MCU的能效狀況。總之，對于處理工藝、IC架構和軟件結構選擇的權衡是十分微妙的決定因素，有時會出現意想不到的結果。此外，單片機上功能模塊相結合的方式對整體能耗加以動態影響。即使對硬件實現看似小而輕微的改變，都可能會導致系統運行周期中整體能耗的大幅波動。

舉幾個應用示例。測量和報警系統通常由單電池供電，并具有約10年的生命周期。在傳感器讀取操作上（在產品生命周期中可能發生幾億次），小小的電流消耗增長就可能會導致產品的實際使用壽命減少幾年。而一個簡單的煙霧報警器，需每秒檢測一次空中煙霧粒子是否存在，在其生命周期中將要執行3.15億次讀取操作。

簡單煙霧報警器的工作比例或占空比是相當低的。每次傳感器讀取操作可能花費時間不超過幾百微秒，而大部分時間都消耗在其他方面，包括：校準和準備過程，單片機喚醒模數轉換器（ADC）和其他感應模擬器件，并等待其達到穩定狀態點的時間。在這種情況下，工作周期可能導致設計中的非活動狀態時間大約占總時間的99.98％。

傳統的煙霧報警器比較簡單。我們來看一個更復雜的RF設計，此設計中，數據結果通過傳感器網狀網絡傳輸到主機應用中。傳感器需要監聽主節點的工作狀態，由此他可以發信號表明自己仍然在網狀網絡中，或者為路由器提供當前所捕獲信息。額外的工作不一定會影響整個占空比，相反，在活動周期中，使用更高性能的裝置還可以執行更多功能，因為高性能裝置提高了處理速度（可通過使用更先進的架構和半導體技術實現），與運行更多周期的慢速裝置相比，快速裝置具備更高能效。

幾乎所有的MCU都通過CMOS技術實現。任何工作邏輯電路的功耗可由公式CV2f決定，其中：C代表裝置中開關電路路徑上的總電容，V代表供電電壓，f代表操作頻率。參見圖1，電壓和電容是生產工藝技術相關的因子。在過去的三十年中，CMOS邏輯的片上操作電壓已經從12V下降到2V以下，同時晶體管體積也大大縮小。因為電壓在工作功耗方程式中是二次函數，因此使用較低電壓將對功耗帶來顯著的影響。

電容作為可使總功耗降低的一項因子，雖然是線性，也大大受益于摩爾定律。對于給定的邏輯函數來說，更先進的生產工藝可提供比之前更小體積的電容，并且可獲得更低的功耗。此外，還有一種先進的設計技術可以降低整體開關頻率，這種技術被稱為時鐘門控。

與其他技術相比，CMOS可以極大降低能源浪費，但同時存在漏電損耗。與工作模式功耗相比，漏電損耗以摩爾定律速率來增加，在所有低能耗應用中都要加以考慮，因為他與低占空比系統的非工作時間成正比。然而，和工作模式功耗一樣，電路設計對真實漏電損耗產生動態影響。類似時鐘門控，功率門控也能夠大大減輕漏電損耗的影響，采用更多先進工藝的節點是低占空比系統的更好選擇，即使是舊的工藝技術也可以獲得更低的理論漏電損耗量。