随着物联网技术的飞速发展,电池驱动类电子设备数量的爆炸式增加,微控制器作为这些设备的中心控制单元,对其设计的要求也从追求单一的有效控制转向高性能和低功耗兼具。同时,基于低功耗的要求,各大芯片设计公司都已分别推出了不同设计方案与结构的低功耗微控制器。本文从微控制器的结构、工作原理和工作过程出发,研究并探索了微控制器正常运行、低功耗运行、空闲、待机和关断5种不同工作模式,在硬件资源使用程度不同的状态下,进行了功耗梯度的设计创新。由此,基于ARM Cortex-M0内核微控制器,设计了多模式下的低功耗设计方案,并完成了一款功能丰富且自身功耗极低的电源管理系统。该电源管理系统主要由核心控制单元、时钟管理单元和复位管理单元组成。其中核心控制单元可以完成对微控制器的模式切换和电源管理系统内寄存器的配置;时钟管理单元能够实现微控制器内AHB和APB下时钟的2/4/8/16分频功能,并完成各级门控时钟的开关;复位管理单元能够使用同步请求和异步释放的复位策略,依据核心控制单元的指令,形成各个模块的复位输入信号。在对以上系统功能进行充分验证的基础上,使用中芯国际（SMIC）55nm工艺进行了该微控制器的流片,并测试了各个工作模式的性能。测试结果表明,正常运行模式下,电源管理系统自身功耗为160μW,占微控制器总功耗的4.37%;待机模式下,常开域的核心控制单元只有104n W,仅占微控制器总功耗的1.7%,表明了电源管理系统自身功耗极低。测试数据还充分表明了在各个工作模式下微控制器功耗梯度明显,且关断模式电流仅200n A,与国内外同类微控制器相比,达到了最低功耗水平,较好地实现了电源管理系统设计的既定目标。