第一篇：电流去哪了？—— 静态漏电与动态功耗的物理本质

原创已于 2026-01-06 12:51:01 修改 · 603 阅读

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于 2026-01-06 12:49:38 首次发布

在嵌入式工程师的眼里，电池里的电量不是抽象的百分比，而是实实在在的库仑 (Coulombs)。

当我们设计一个号称“能在纽扣电池上跑 5 年”的传感器节点时，我们实际上是在进行一场极其严苛的预算管理。要打赢这场战争，首先得搞清楚敌人在哪里。对于 CMOS 工艺的 MCU 来说，功耗主要由两部分组成：动态功耗（忙时的代价）和静态功耗（闲时的漏电）。

当 MCU 的 CPU 正在疯狂跑代码，或者外设正在翻转电平时，消耗的是动态功耗。其物理本质是对电路中寄生电容的充放电。

公式极其残酷且诚实：

注意公式里的 V的平方。这意味着，电压降低一点点，功耗会呈指数级下降。

STM32G0 的策略：电压调节器 (LDO) 的动态调整

STM32G0 内部集成了一个 LDO（低压差线性稳压器）来给内核（Vcore）供电。它不仅仅是降压，更重要的是它支持动态电压调节 (Dynamic Voltage Scaling, DVS)。
- Range 1 (高性能)： Vcore = 1.2V，主频可达 64MHz。
- Range 2 (低功耗)： Vcore 降至 1.0V 左右，主频限制在 16MHz。
- 深度解读： 如果你的任务只需要 8MHz 就能跑完，却把电源选在了 Range 1，那你就是在浪费电。在 G0 上，手动切换 PWR_CR1 寄存器的 VOS 位，是降低动态功耗的第一把手术刀。
RL78/G23 的策略：宽电压直驱与极低的主频电流

RL78 是 16 位机，其工艺制程（通常是 130nm 或更成熟工艺，相比 G0 的 90nm/40nm）决定了它的漏电更小，但它对电压的依赖更线性。
- RL78 惊人之处在于其 Run Mode 电流。G0 大约是 100µA/MHz，而 RL78/G23 可以做到 40-60µA/MHz。
- 它没有复杂的 VOS 调节，因为它在整个电压范围内（1.6V - 5.5V）的效率曲线都非常平缓。这意味着在电池电压下降后期（如 2.2V），RL78 依然能保持极高的能效比，而不用担心 LDO 的压差损耗。

降低频率 (f) 确实能降低瞬时电流，但会延长处理时间。

E = P x t

既然 P 与 f 成正比，t 与 f 成反比，理论上总能量 E 似乎与频率无关？

错。因为除了 CPU，还有静态基底电流在时刻消耗。

结论：在 STM32G0 上，通常建议用最高效的主频（如 Range 1 下的 64MHz）快速执行完代码，然后立刻进入 Stop 模式。这种“Race to Halt”策略通常比慢吞吞地跑更省电。

当你以为芯片“关机”了（进入 Stop/Standby 模式），其实它还在流血。这就是静态功耗，主要由 漏电流 (Leakage Current) 构成。

公式如下：

这是一个很多新手会忽略的深坑：数据手册首页的低功耗数据，通常是在摄氏25测得的。

物理本质： 随着温度升高，载流子的热运动加剧，PN 结反向漏电流呈指数上升。
实战对比：
- STM32G0 (Cortex-M0+)： 由于逻辑门数量庞大（32位核+丰富外设），其漏电流对温度非常敏感。在摄氏25时 Stop 模式可能只有 3µA，但在摄氏85 时可能会飙升到 30µA 甚至更高。
- RL78/G23： 得益于更简单的逻辑结构和专用的低漏电工艺，它的高温漏电表现通常优于 STM32。在高温工况下（如车载、户外暴晒），RL78 的“耐力”更强。

要想醒来后程序能接着跑，SRAM 里的数据就不能丢。保持 SRAM 数据需要持续供电。

STM32G0： 提供了精细的 RAM 保持控制。在 Shutdown 模式下，为了极致省电（几十 nA），它会切断 SRAM 供电（除了几个字节的 Backup Registers），醒来等于复位。
RL78/G23： 它的 Stop 模式通常默认保持所有 RAM，且电流依然控制在微安级。这对开发者更友好，因为不需要复杂的“冷启动/热启动”判断逻辑。

这一节是两款芯片灵魂的碰撞。如何做到“CPU 在睡觉，活儿还能干了”？

这是 RL78 称霸低功耗界多年的独门绝技。

场景： 作为一个烟雾报警器，需要每秒采集一次 ADC，判断是否超过阈值。
普通 MCU： 唤醒 CPU -> 启动 ADC -> 采样 -> CPU 读数比较 -> 没超标 -> 继续睡。这里面 CPU 的唤醒和上下文切换是巨大的浪费。
RL78 Snooze：
1. 硬件定时器触发，不唤醒 CPU，直接给 ADC 时钟供电。
2. ADC 自动采样。
3. 硬件窗口比较器自动比较采样值。
4. 如果值在正常范围内，ADC 自动关机，系统继续睡。CPU 全程不知道发生了什么。
5. 只有值异常，才会生成中断唤醒 CPU。
效果： 极大地降低了平均功耗。

STM32G0 虽然没有叫 "Snooze" 的模式，但它通过 DMA + 硬件触发 实现了类似功能，不过实现起来更依赖软件配置。

机制： 利用 G0 的 DMA 可以在 Sleep 模式下工作的特性。
限制： 在深度的 Stop 模式下，G0 的大部分时钟关闭，DMA 也就停了。这就导致 G0 很难像 RL78 那样在**极低功耗模式（Stop）**下完成数据搬运。
改进： STM32 新的 U5 系列引入了 LPBAM 彻底解决了这个问题，但在 G0 这个级别，RL78 的 Snooze 模式在硬件整合度上依然略胜一筹。