超低功耗MCU煉成記

低功耗與高性能、高集成度、低成本一起，一直是各大半導(dǎo)體廠商追逐的目標(biāo)，特別是微控制器(MCU)這樣的智能芯片，每次發(fā)布的新器件，其功耗總是在逐步遞減。但是隨著物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備的“瘋狂入侵”，循序漸進(jìn)式的功耗優(yōu)化已經(jīng)不再是超低功耗MCU的游戲規(guī)則，而是“突飛猛進(jìn)”模式，與功耗相關(guān)的很多指標(biāo)(如ULPBench得分)都不斷刷新記錄，而記錄的保持者往往只能“笑傲江湖”幾個(gè)月甚至幾天，就被競(jìng)爭(zhēng)者KO。

總地來(lái)說(shuō)，廠商們都是在內(nèi)核架構(gòu)、多種工作模式和休眠模式、優(yōu)化的外圍設(shè)備(如ADC)及其時(shí)鐘需求、多樣的電源范圍這些方面進(jìn)行重點(diǎn)研究，以降低功耗。

本文以意法半導(dǎo)體(ST)STM32L4、愛特梅爾(Atmel) SAML21J18A、德州儀器(TI) SimpleLink C26xx以及基于Cortex-M4F的MSP432、恩智浦(NXP) LPC54102以及在中國(guó)名不見經(jīng)傳的Ambiq Micro Apollo系列為例，看看它們的低功耗究竟是怎樣煉成的!

1.意法半導(dǎo)體STM32L4系列(STM32L476)

低功耗性能：動(dòng)態(tài)運(yùn)行功耗低至100 μA/MHz;關(guān)閉時(shí)最低電流為30 nA，喚醒時(shí)間:為5 μs

ULPBench得分：123.5

內(nèi)核：80 MHz ARM Cortex-M4核+DSP+浮點(diǎn)運(yùn)算單元 (FPU)

CoreMark/MHz：3.42

低功耗原因：ART加速器、Flash零等待執(zhí)行、動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)、FlexPowerControl智能架構(gòu)，7種電源管理模式(運(yùn)行、低功耗運(yùn)行、睡眠、低功耗睡眠、停止1、停止2、待機(jī)、關(guān)閉)。還有ST的Batch Acquisition Mode(BAM)，其允許在低功耗模式下與通信接口足夠的數(shù)據(jù)交換。FlexPowerControl是在低功耗模式時(shí)保持SRAM待機(jī)，為特定外設(shè)和I/O管理獨(dú)立電源。

工作模式功耗分解：

 動(dòng)態(tài)運(yùn)行功耗: 低至100 μA/MHz;

 超低功耗模式: 30 nA 有后備寄存器而不需要實(shí)時(shí)時(shí)鐘(5個(gè)喚醒引腳);

 超低功耗模式+RTC: 330 nA 有后備寄存器 (5個(gè)喚醒引腳);

 超低功耗模式+32 KB RAM: 360 nA;

 超低功耗模式+32 KB RAM+RTC: 660 nA。

軟件：

意法半導(dǎo)體公司為開發(fā)者提供STM32 Cube MX功率模擬器，來(lái)估算所使用的意法MCU 在執(zhí)行代碼時(shí)的功率。

ULPBench測(cè)試環(huán)境：STM32 Nucleo

2.Atmel SAML21系列(SAML21J18A-UES)

低功耗性能：只消耗35 mA/MHz，睡眠模式下只有200 nA

ULPBench得分：185.8

內(nèi)核:ARM Cortex-M0+

低功耗原因：5種不同的電量范圍使用不同的資源，以提高能效;分別為CPU和外圍設(shè)備創(chuàng)建一個(gè)IRQ線索，以實(shí)現(xiàn)分層中斷。其他原因還包括以下幾點(diǎn)：

 空閑、待機(jī)、備用、睡眠模式;

 sleepwalking接口;

 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功率門控結(jié)構(gòu);

 后備電池支持;

 兩種性能水平;

 Embedded buck/LDO穩(wěn)壓器支持實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的選擇;

 低功耗接口。

ULPBench測(cè)試環(huán)境：SAML21 Xplained Rev2

3.TI SimpleLink C26xx 無(wú)線MCU(CC2650F128RGZ)

低功耗性能：峰值電流為2.9 mA，睡眠電流少于0.15 µA

ULPBench得分：143.6

CoreMark/MHz：61 uA

內(nèi)核：Cortex-M3

特點(diǎn)：唯一一款集成超低功耗傳感器控制器的MCU，支持5種標(biāo)準(zhǔn)：Bluetooth、Sub-1 GHz、6LoWPAN、ZigBee和ZigBee RF4CE。

低功耗原因：功率優(yōu)化的射頻

工作模式功耗分解：

 處理狀態(tài)：在48 MHz時(shí)峰值電流為2.9 mA;

 通信狀態(tài)：接收的峰值電流為5.9 mA，發(fā)送時(shí)的峰值電流為6.1 mA;

睡眠狀態(tài)：傳感器控制器消耗電流為8.2 uA/MHz,支持實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)和完全存儲(chǔ)器保持的睡眠模式，電流為1 µA。

4.TI MSP432

低功耗性能：主動(dòng)模式電流)為95 µA/MHz 、睡眠模式電流(支持RTC)為850 nA 、從待機(jī)模式喚醒的時(shí)間小于 10 µs

ULPBench得分：167.4

內(nèi)核：Cortex-M4F

Coremark：3.41/MHz

低功耗原因：

與LDO相較，集成DC/DC可節(jié)省40%的功耗;

繼承MSP430優(yōu)質(zhì)低功耗DNA;

借助可選的RAM保持，每個(gè)RAM段的流耗可節(jié)省30 nA;

當(dāng)使用14位 ADC，以1 MSPS的速度運(yùn)行采樣傳感器時(shí)能耗最低 (375 µA);

DriverLib in ROM最多比閃存節(jié)省 35% 的能耗。

軟件特點(diǎn)：EnergyTrace技術(shù)，實(shí)時(shí)電源測(cè)量和調(diào)試，生成應(yīng)用能源曲線，包括電流和CPU狀態(tài)。

5.NXP LPC54102

低功耗性能：100 MHz Cortex-M0+內(nèi)核：55 µA/MHz，用于監(jiān)聽、數(shù)據(jù)采集以及管理;100 MHz Cortex-M4F內(nèi)核：100 µA/MHz，用于傳感器信息處理和數(shù)據(jù)通信。

內(nèi)核：ARM Cortex-M0+&Cortex-M4F雙核。

低功耗原因：不同傳感器數(shù)據(jù)管理方式不同，有兩個(gè)核(Cortex-M0+和Cortex-M4F)來(lái)處理不同數(shù)據(jù);在每個(gè)處理數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)只調(diào)用最低數(shù)據(jù)處理能力;三種工作模式;高能效ADC。

工作模式功耗分解：

(1)監(jiān)聽模式，即掉電模式，且無(wú)CPU處理，但具有RAM保留功能，此時(shí)功耗僅為3 µA。

(2)讀取模式(I2C和ADC，12 MHz CPU時(shí)速率為10 S/s)，這種模式用于監(jiān)聽、數(shù)據(jù)采集以及管理等非數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用。此時(shí)，LPC54100中只有Cortex M0+在運(yùn)行，功耗為55 µA/MHz。

(3)算法處理(80 MHz CPU時(shí)每秒一次)，這種模式用于傳感器信息處理和數(shù)據(jù)通信等數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用。此時(shí)，LPC5412中的Cortex-M4F核工作，其功耗為100 µA/MHz。競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品在第2和第3種模式時(shí)，都是采用Cortex-M4F核工作，功耗為112 µA/MHz。

高能效ADC特點(diǎn)：在任何電壓下(1.62 V~3.6 V)，都能實(shí)現(xiàn)最高性能，達(dá)到12位 4.8 MS/s。而其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手產(chǎn)品中內(nèi)置的ADC速率只有2.4 MS/s，而且必須是在高電壓下。

6.Ambiq Micro Apollo系列

Ambiq可能大家還不熟悉，其是由ARM、Cisco等投資的初創(chuàng)單片機(jī)公司。

低功耗性能：工作電流為30 mA/MHz，平均睡眠模式電流低至100 nA。

內(nèi)核：ARM Cortex-M4F

特點(diǎn)：在真實(shí)世界應(yīng)用中，其功耗通常比性能相近的其他MCU產(chǎn)品降低5至10倍，Apollo MCU的獨(dú)特之處是能同時(shí)優(yōu)化工作和睡眠模式功率，在執(zhí)行來(lái)自閃存的指令時(shí)，其功耗低至行業(yè)領(lǐng)先的30 mA/MHz，并且具有低至100 nA的平均睡眠模式電流，而這種極低的功耗不會(huì)影響性能。片上資源包括一個(gè)10位的13通道1MS/s ADC和一個(gè)精度為±2ºC的溫度傳感器。有12個(gè)中斷的喚醒中斷控制器。

低功耗原因：

Ambiq使用專利亞閾值功率優(yōu)化技術(shù)(Subthreshold Power Optimized Technology， SPOT)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)驚人的功耗降低。

SPOT平臺(tái)采用在亞閾值電壓(低于0.5 V)下運(yùn)作的晶體管，而不是使用一直在1.8 V下保持“開啟”的晶體管。該平臺(tái)使用“關(guān)閉”晶體管的泄漏電流來(lái)進(jìn)行數(shù)字和模擬領(lǐng)域內(nèi)的計(jì)算，這項(xiàng)專利技術(shù)使用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝來(lái)實(shí)施，克服了先前與亞閾值電壓切換相關(guān)的噪聲敏感性、溫度靈敏度和工藝漂移挑戰(zhàn)。

從上面幾個(gè)代表，相信你大概知道超低功耗MCU到底是怎樣煉成的，而超低功耗MCU白熱化競(jìng)爭(zhēng)的好戲或許才剛剛開始，誰(shuí)也不能確定一個(gè)最低界限，誰(shuí)也不能保證自己是最后的低功耗終結(jié)者，受益者還是我們廣大工程師、最終產(chǎn)品使用者以及整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)。