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超低功耗MCU是怎樣煉成的

低功耗與高性能、高集成度、低成本壹起,壹直是各大半導體廠商追逐的目標,特別是微控制器(MCU)這樣的智能芯片,每次發布的新器件,其功耗總是在逐步遞減。但是隨著物聯網和可穿戴設備的“瘋狂入侵”,循序漸進式的功耗優化已經不再是超低功耗MCU的遊戲規則,而是“突飛猛進”模式,與功耗相關的很多指標(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”幾個月甚至幾天,就被競爭者KO。

總地來說,廠商們都是在內核架構、多種工作模式和休眠模式、優化的外圍設備(如ADC)及其時鐘需求、多樣的電源範圍這些方面進行重點研究,以降低功耗。

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

1.意法半導體STM32L4系列(STM32L476)

低功耗性能:動態運行功耗低至100 μA/MHz;關閉時最低電流為30 nA,喚醒時間:為5 μs

ULPBench得分:123.5

內核:80 MHz ARM Cortex-M4核+DSP+浮點運算單元 (FPU)

CoreMark/MHz:3.42

低功耗原因:ART加速器、Flash零等待執行、動態電壓調節、FlexPowerControl智能架構,7種電源管理模式(運行、低功耗運行、睡眠、低功耗睡眠、停止1、停止2、待機、關閉)。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據交換。FlexPowerControl是在低功耗模式時保持SRAM待機,為特定外設和I/O管理獨立電源。

工作模式功耗分解:

動態運行功耗: 低至100 μA/MHz;

超低功耗模式: 30 nA 有後備寄存器而不需要實時時鐘(5個喚醒引腳);

超低功耗模式+RTC: 330 nA 有後備寄存器 (5個喚醒引腳);

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:

意法半導體公司為開發者提供STM32 Cube MX功率模擬器,來估算所使用的意法MCU 在執行代碼時的功率。

ULPBench測試環境: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

內核:ARM Cortex-M0+

低功耗原因:5種不同的電量範圍使用不同的資源,以提高能效;分別為CPU和外圍設備創建壹個IRQ線索,以實現分層中斷。其他原因還包括以下幾點:

空閑、待機、備用、睡眠模式;

sleepwalking接口;

靜態和動態功率門控結構;

後備電池支持;

兩種性能水平;

Embedded buck/LDO穩壓器支持實時動態的選擇;

低功耗接口。

ULPBench測試環境:SAML21 Xplained Rev2