CH32V203系列基于32位RISC-V工业级增强型低功耗通用微控制器，高性能，最高支持144MHz系统主频，功耗低，运行功耗低至45uA/MHz。 本文已CH32V203为例，聊聊MCU低功耗及应用场景。
低功耗产品一般可分为两种运行状态：1.平时功耗低，使用时唤醒；2.平时断电，使用时上电。处在第2实际上，低功耗的原理是减少供电时间。这类产品主要控制MCU唤醒外挂低功耗协处理单元的方法（LPCU）实现供电电路的控制。高性能MCU产品通常功耗性能不理想，特殊功耗低MCU高性能计算需求难以满足。高性能可用于解决功耗与性能的矛盾MCU而且运行功耗要足够低，同时优化产品低功耗方案架构的设计。有许多这样的应用场景，如指纹、面部识别门锁等智能家居产品，对产品体积要求不严格。
在设计低功耗产品之前，我们需要测量主控MCU在不同模式下运行的平均电流，或在相同模式下测量不同程序的平均电流，表达式为
在程序中编写不同的操作模式代码，使用外部唤醒发生器自动唤醒并操作下一个模式代码。在这种自动测试方法下，在多组运行模式下实现平均电流的定期重复测试I ?。若用m表示每个周期的模式数量，n表示周期数，平均电流表达式可以改写为
图1三种类低功耗方案示意图
如图所示，低功耗方案有三种。第一种MCU直接处理事件，然后进入低功耗模式，循序渐进。在供电电压恒定的情况下，平均电流I ?功耗示功耗的大小。以下是方案1的平均电流表达式，其中tn表示总时间，Ir(t)表示Run模型下的电流，Ilp(t)表示在Lowpower模式下的电流。
第二种方案是将传感器应用于指纹门锁等事件源场景。在电路设计中，应通过传感器编程输出高低电平来控制MCU供电电路地开合。下面的公式是方案2的平均电流表达式，在这里Inp(t)=0掉电的情况下MCU的电流。
第三种方案增加了一个LPCU，负责MCU断电期间芯片的供电控制和接收事件。在MCU掉电期间LPCU应处于Lowpower负责接收事件的模式。LPCU接收事件，然后给予MCU供电，然后发送事件MCU处理，周序渐进。这颗LPCU功耗比主必须有两个特点MCU Standby低，其中一个IO口具有编程输出高低电平的能力。以下是方案3的平均电流表达公式，在这里Ir1(t)为LPCU Run状态下的电流，Ir2(t)为MCU Run模型下的电流，Ilpu(t)为LPCU Lowpower模型下的电流，Inp(t)=0为MCU电流时的电流。
接下来，分析三种方案下三种单片机的功耗。
| MCU型号 |
最高主频 |
Run Mode |
Sleep Mode |
Stop Mode (No RTC) |
Standby Mode (No RTC) |
| STM32L051 低功耗系列 （M0） |
32MHz |
140uA/MHz |
37uA/MHz |
0.4uA |
0.27uA |
| STM32F103 通用系列 （M3） |
72MHz |
375uA/MHz |
68uA/MHz |
14uA |
2uA |
| CH32F203 （M3） |
144MHz |
69.3uA/MHz |
22.4uA/MHz |
14.85uA |
0.58uA |
| CH32V203 通用&低功耗 （RISC-V） |
72MHz (低功耗模式) |
44.65uA/MHz |
17.9uA/MHz |
12uA |
0.50uA |
| 144MHz (高性能模式) |
52.4uA/MHz |
20.8uA/MHz |
12.15uA |
0.50uA |
表1不同MCU功耗测试数据在不同的运行模式下
表1是在四种不同运行模式下测量的三个芯片的功耗和唤醒。通用易于分析MCU STM32F103C8T6（F103）在Run、Sleep、Stop和Standby在四种运行模式下，其功耗远高于其他三种芯片，性能弱于一般芯片MCU CH32V203C8T6（V203）和CH32F203C8T6（F203）。V203在Run与Sleep模式下的功耗性能优于低功耗MCU STM32L051C8T6（L051），而L051在Stop与Standby模式下的功耗性能优于V203。因为V203与L051在低功耗方面的表现各有优缺点。接下来，我们需要分析一般性MCU V203与低功耗MCU L051在低功耗方面的应用场景分析。
因为MCU运行测试程序是周期性的，简化分析，使用一个周期进行近似研究Run与Lowpower不同模式时间比例带来的功耗差异。
一个周期内的第一个方案V203与L051的功耗电流差?I ?由下表示。其中I ?ch为V平均电流为203，I ?st为L051平均电流，T周期时间，Irch(t)和Irst(t)分别为V203和L051处于Run模型下的电流，Ilpch(t)和Ilpst(t)分别为V203和L051处于Lowpower模型电流。一个周期内Run和Sleep比例在区间内[0，7.65%)、Run和Stop比例在区间内[0，0.9%)、Run和Standby比例在区间内[0，0.02%)时L051功耗较低。一个周期内Run和Sleep比例在区间内(7.65%，100%]、Run和Stop比例在区间内(0.9%，100%]、Run和Standby比例在区间内(0.02%，100%]时V203功耗较低。
第二种方案在一个周期内V203与L051的功耗电流差?I ?由下表示。其中Inpch(t)=0和Inpst(t)=0分别为V203和L掉电模式下的051电流。MCU仅运行Run模式，Run模式下V203的功耗比L051低，?I ?第二种模式下恒小于零V203功耗更低。
第三种方案在一个周期内V203与L051功耗电流差I ?由下表示。其中Ir1ch(t)、Ir2ch(t)分别为LPCU1和V203处于Run模式下的电流；Ir1st(t)、Ir2st(t)分别为LPCU2和L051处于Run模式下的电流。若Ir1ch(t)=Ir1st(t)，则?I ?第三种模式下恒小于零V203功耗更低。
本文以ST以沁恒微电子产品为例，对比性能和功耗。L051是专门为低功耗产品设计的Stop、Standby模型下的功耗极具竞争力。CH32V203是一款高性能、低功耗的产品MCU，最高144系统主频MHZ，运行功耗低至44.65uA/Mhz，在RAM在运行模式下合理降低运行主频，可兼顾低功耗产品的开发需求。本文分析表明，在性能方面，V203单片机比通用型单片机好F103性能高。在功耗上，V203单片机在Sleep、Run比专为低功耗设计的模式下L051单片机更有优势。