随着物联网设备、个人终端设备等以微控制器为主的产品的迅猛发展,由功耗产生的续航、散热等问题也变得越加严重,而其中芯片功耗占有极大的比重。因此,通过采用动态功耗管理(Dynamic Power Management,DPM)技术、动态电压频率调节(Dynamic Voltage and Frequency Scaling,DVFS)技术和自适应电压调节(Adaptive Voltage Scaling,AVS)技术对芯片功耗进行优化来降低负载能耗的方式,能够显著提升设备的续航能力和使用体验。论文设计并实现了一款基于多方案联合节能优化策略的微控制器。通过DPM技术对系统电源架构进行设计,采用双电源多模式的方式设计实现了一种适用于低功耗微控制器的电源架构。并在此基础上,对其中部分电源域通过DVFS调压的方式对电压进行快速调整,之后再通过AVS技术进一步减小时序裕量,对功耗进行更深层次优化。同时在AVS电路中通过采用双堆叠型结构的延迟单元提升整个延迟电路在复制关键路径中所占延迟时长主导地位的比重。并且为了改善存在大量不同的复制关键路径的问题,提出并实现了通过可变边界的方式对复制关键路径进行复用,对未知的实际关键路径长度进行追踪的方法。论文采用SMIC 55nm CMOS工艺进行电源架构设计和功耗优化电路设计。在电源模式上,有NOMAL、LP＿RUN、AON等多种方式,同时根据芯片的测试结果显示,在LP＿RUN状态下运行内核、外设等功能时,功耗大小仅为NORMAL状态的1%到10%,而AON模式功耗大小仅为LP＿RUN状态的0.4%。在主电源域,采用DVFS和AVS技术联合调压的设计方案,得到的实际功耗优化效果能达到12.4%到58.3%之间。