超低功耗MCU是怎样炼成的?

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。但是随着物联网和可穿戴设备的“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 mA/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。