超低功耗MCU是怎样炼成的?

2015-04-10 15:29:20来源: EEWORLD作者: 陈颖莹
    低功耗与高性能、高集成度、低成本一起,一直是各大半导体厂商追逐的目标,特别是微控制器MCU)这样的智能芯片,每次发布的新器件,其功耗总是在逐步递减。但是随着物联网可穿戴设备的“疯狂入侵”,循序渐进式的功耗优化已经不再是超低功耗MCU的游戏规则,而是“突飞猛进”模式,与功耗相关的很多指标(如ULPBench得分)都不断刷新记录,而记录的保持者往往只能“笑傲江湖”几个月甚至几天,就被竞争者KO。
 
    总地来说,厂商们都是在内核架构、多种工作模式和休眠模式、优化的外围设备(如ADC)及其时钟需求、多样的电源范围这些方面进行重点研究,以降低功耗。
 
    本文以意法半导体(ST)STM32L4、爱特梅尔(Atmel) SAML21J18A、德州仪器(TI) SimpleLink C26xx以及基于Cortex-M4F的MSP432、恩智浦(NXP) LPC54102以及在中国名不见经传的Ambiq Micro Apollo系列为例,看看它们的低功耗究竟是怎样炼成的!
 
1.意法半导体STM32L4系列(STM32L476)
 
   低功耗性能:动态运行功耗低至100 μA/MHz;关闭时最低电流为30 nA,唤醒时间:为5 μs
 
   ULPBench得分:123.5
 
   内核:80 MHz ARM Cortex-M4核+DSP+浮点运算单元 (FPU)
 
   CoreMark/MHz:3.42
 
   低功耗原因:ART加速器、Flash零等待执行、动态电压调节、FlexPowerControl智能架构,7种电源管理模式(运行、低功耗运行、睡眠、低功耗睡眠、停止1、停止2、待机、关闭)。还有ST的Batch Acquisition Mode(BAM),其允许在低功耗模式下与通信接口足够的数据交换。FlexPowerControl是在低功耗模式时保持SRAM待机,为特定外设和I/O管理独立电源。
 
   工作模式功耗分解:
 
 动态运行功耗: 低至100 μA/MHz;
 
 超低功耗模式: 30 nA 有后备寄存器而不需要实时时钟(5个唤醒引脚);
 
 超低功耗模式+RTC: 330 nA 有后备寄存器 (5个唤醒引脚);
 
 超低功耗模式+32 KB RAM: 360 nA;
 
 超低功耗模式+32 KB RAM+RTC: 660 nA。
 
   软件
 
   意法半导体公司为开发者提供STM32 Cube MX功率模拟器,来估算所使用的意法MCU 在执行代码时的功率。
 
   ULPBench测试环境:STM32 Nucleo
 
2.Atmel SAML21系列(SAML21J18A-UES)
 
   低功耗性能:只消耗35 uA/MHz,睡眠模式下只有200 nA
 
   ULPBench得分:185.8
 
   内核:ARM Cortex-M0+
 
   低功耗原因:5种不同的电量范围使用不同的资源,以提高能效;分别为CPU和外围设备创建一个IRQ线索,以实现分层中断。其他原因还包括以下几点:
 
 空闲、待机、备用、睡眠模式;
 
 sleepwalking接口;
 
 静态和动态功率门控结构;
 
 后备电池支持;
 
 两种性能水平;
 
 Embedded buck/LDO稳压器支持实时动态的选择;
 
 低功耗接口。
 
   ULPBench测试环境:SAML21 Xplained Rev2

 
3.TI SimpleLink C26xx 无线MCU(CC2650F128RGZ)
 
    低功耗性能:峰值电流为2.9 mA,睡眠电流少于0.15 µA
 
    ULPBench得分:143.6
 
    CoreMark/MHz:61 uA
 
    内核:Cortex-M3
 
    特点:唯一一款集成超低功耗传感器控制器的MCU,支持5种标准:Bluetooth、Sub-1 GHz、6LoWPAN、ZigBee和ZigBee RF4CE。
 
    低功耗原因:功率优化的射频
 
    工作模式功耗分解:
 
  处理状态:在48 MHz时峰值电流为2.9 mA;
 
  通信状态:接收的峰值电流为5.9 mA,发送时的峰值电流为6.1 mA;
 
    睡眠状态:传感器控制器消耗电流为8.2 uA/MHz,支持实时时钟(RTC)和完全存储器保持的睡眠模式,电流为1 µA。
 
4.TI MSP432
 
    低功耗性能:主动模式电流)为95 µA/MHz 、睡眠模式电流(支持RTC)为850 nA 、从待机模式唤醒的时间小于 10 µs
 
    ULPBench得分:167.4
 
    内核:Cortex-M4F
 
    Coremark:3.41/MHz
 
    低功耗原因:
 
    与LDO相较,集成DC/DC可节省40%的功耗;
    
    继承MSP430优质低功耗DNA;
 
    借助可选的RAM保持,每个RAM段的流耗可节省30 nA;
 
    当使用14位 ADC,以1 MSPS的速度运行采样传感器时能耗最低 (375 µA);
 
    DriverLib in ROM最多比闪存节省 35% 的能耗。
    
    软件特点:EnergyTrace技术,实时电源测量和调试,生成应用能源曲线,包括电流和CPU状态。
 
5.NXP LPC54102
 
    低功耗性能:100 MHz Cortex-M0+内核:55 µA/MHz,用于监听、数据采集以及管理;100 MHz Cortex-M4F内核:100 µA/MHz,用于传感器信息处理和数据通信。
 
    内核:ARM Cortex-M0+&Cortex-M4F双核。
 
    低功耗原因:不同传感器数据管理方式不同,有两个核(Cortex-M0+和Cortex-M4F)来处理不同数据;在每个处理数据节点只调用最低数据处理能力;三种工作模式;高能效ADC。
 
    工作模式功耗分解:
 
(1)监听模式,即掉电模式,且无CPU处理,但具有RAM保留功能,此时功耗仅为3 µA。
 
(2)读取模式(I2C和ADC,12 MHz CPU时速率为10 S/s),这种模式用于监听、数据采集以及管理等非数据密集型应用。此时,LPC54100中只有Cortex M0+在运行,功耗为55 µA/MHz。
 
(3)算法处理(80 MHz CPU时每秒一次),这种模式用于传感器信息处理和数据通信等数据密集型应用。此时,LPC5412中的Cortex-M4F核工作,其功耗为100 µA/MHz。竞争产品在第2和第3种模式时,都是采用Cortex-M4F核工作,功耗为112 µA/MHz。
 
    高能效ADC特点:在任何电压下(1.62 V~3.6 V),都能实现最高性能,达到12位 4.8 MS/s。而其他竞争对手产品中内置的ADC速率只有2.4 MS/s,而且必须是在高电压下。
 
6.Ambiq Micro Apollo系列
 
    Ambiq可能大家还不熟悉,其是由ARM、Cisco等投资的初创单片机公司。
 
    低功耗性能:工作电流为30 mA/MHz,平均睡眠模式电流低至100 nA。
 
    内核:ARM Cortex-M4F
 
    特点:在真实世界应用中,其功耗通常比性能相近的其他MCU产品降低5至10倍,Apollo MCU的独特之处是能同时优化工作和睡眠模式功率,在执行来自闪存的指令时,其功耗低至行业领先的30 mA/MHz,并且具有低至100 nA的平均睡眠模式电流,而这种极低的功耗不会影响性能。片上资源包括一个10位的13通道1MS/s ADC和一个精度为±2ºC的温度传感器。有12个中断的唤醒中断控制器。
 
    低功耗原因:
 
    Ambiq使用专利亚阈值功率优化技术(Subthreshold Power Optimized Technology, SPOT)平台来实现惊人的功耗降低。

   SPOT平台采用在亚阈值电压(低于0.5 V)下运作的晶体管,而不是使用一直在1.8 V下保持“开启”的晶体管。该平台使用“关闭”晶体管的泄漏电流来进行数字和模拟领域内的计算,这项专利技术使用业界标准CMOS工艺来实施,克服了先前与亚阈值电压切换相关的噪声敏感性、温度灵敏度和工艺漂移挑战。
 
    从上面几个代表,相信你大概知道超低功耗MCU到底是怎样炼成的,而超低功耗MCU白热化竞争的好戏或许才刚刚开始,谁也不能确定一个最低界限,谁也不能保证自己是最后的低功耗终结者,受益者还是我们广大工程师、最终产品使用者以及整个物联网产业。

关键字:超低功耗  MCU  ULPBench

编辑:chenyy 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mcu/2015/0410/article_19307.html
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