超低功耗MCU是怎样炼成的?

2015-04-10来源: EEWORLD作者: 陈颖莹关键字:超低功耗  MCU  ULPBench
    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 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://news.eeworld.com.cn/mcu/2015/0410/article_19307.html

上一篇:神舟I号开发板“SD-USB读卡器”调试小结
下一篇:基于ARM 64位ARMv8架构的手机今年渗透率将过半

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

安森美超低功耗RSL10赋予资产管理更灵活的解决方案
RSL10,开发出一系列完整的交钥匙方案,包括基于RSL10传感器开发套件的高度可定制的低功耗信标和标签。这些方案提供丰富的、创新的功能,包括各种环境传感器、安全性增强和定位。这些配套功能可以在硬件平台中一起实现,也可以单独实现。这灵活的设计生态系统还包括针对系统集成的建议和工业网关合作伙伴。安森美半导体在低功耗联接的专知结合合作伙伴的资产管理经验,极大地加快产品上市时间,从几周到几个月不等。  如安森美半导体已与物联网方案公司tatwah sa和领先的网络安全供应商WISeKey合作,提供基于RSL10无线电的超低功耗蓝牙5信标,支持iBeacon、Eddystone、AltBeacon等。此蓝牙5信标专为工业
发表于 2020-12-30
安森美<font color='red'>超低功耗</font>RSL10赋予资产管理更灵活的解决方案
基于16-bit MCU实现超低功耗运动检测系统解决方案
谐振 LC 传感器技术用于运动检测已有数年,包括流量计量以及其它低速转动检测系统等。几乎在所有情况下,推动上述传感器设计发展的共同主线都是低功耗解决方案的需求,它通常为电池供电设备的低功耗解决方案。通过模拟测量组件与独立于主 CPU 工作的状态机处理接口相结合,本文以德州仪器 (TI) 的 MSP430FW42x 系列16位MCU为例,给出超低功耗运动检测系统解决方案的清晰说明。图 1 显示了简易旋转运动检测系统的实施。除了微控制器与显示器之外,还显示了二通道谐振 LC 传感器的配置。单一传感器仅可用于转动检测,添加了第二个传感器后,就还可提供方向信息。图 1 MSP430FW42x 转动系统原理图传感器原理使用谐振 LC 传感器
发表于 2020-12-29
基于16-bit <font color='red'>MCU</font>实现超低功耗运动检测系统解决方案
采用MSP430F单片机设计超低功耗电子温度计
引言本文设计的超低功耗电子温度计能够通过温度传感器测量和显示被测量点的温度,并可进行扩展控制。该温度计带电子时钟,其检测范围为l0℃~30℃,检测分辨率为1℃,采用LCD液晶显示,整机静态功耗为0.5μA。其系统设计思想对其它类型的超低功耗微型便携式智能化检测仪表的研究和开发,也具有一定的参考价值。1元器件选择本系统的温度传感器可选用热敏电阻。在10~30℃的测量范围内,该器件的阻值随温度变化比较大,电路简单,功耗低,安装尺寸小,同时其价格也很低,但其热敏电阻精度、重复性、可靠性相对稍差,因此,这种传感器对于检测在1℃以下,特别是分辨率要求更高的温度信号不太适用。显示部分可以采用笔段式LCD液晶显示。特别是黑白笔段式液晶显示器
发表于 2020-12-25
采用MSP430F单片机设计<font color='red'>超低功耗</font>电子温度计
支持页面:AirPods Max可以开启超低功耗模式
苹果近日更新了支持页面,概述了刚刚发布的 AirPods Max 的关键性能指标,包括充电和电池相关方面。支持页面特别提到当耳机处于空闲状态 5 分钟时,为了大幅节省电池电量,低功耗模式会自动激活。另外,当耳机闲置 72 小时(3 天)后,此时他们会进入耗电更低的低功耗模式,并关闭蓝牙和几项耗电的活动。当使用 AirPods Max 无线耳机的智能耳机套时,设备将立即切换到低功耗模式。超低功耗模式会在使用智能耳机套的 18 小时后激活。当超低功耗模式处于活动状态时,蓝牙和“查找”功能会关闭。苹果在文档中用“超低”一词来表示最低的节能选项,但目前还不清楚这种所谓的超低功耗模式与低功耗模式有何不同。AirPods Max 
发表于 2020-12-21
支持页面:AirPods Max可以开启<font color='red'>超低功耗</font>模式
基于MSP430F设计的超低功耗电子温度计方案
,性能强大,成本也较低。  2 MSP430F单片机的主要特点  MSP430F系列是美国TI公司生产的一种超低功耗的FLASH控制器,该器件有“绿色”控制器(GREEN Mcu)之称,其技术特征代表了单片机的发展方向。MSP430的片内存储器该器件单元是能耗非常低的单元,消耗功率仅为其它闪速微控制器的五分之一。 MSP430F同其它控制器相比,既可缩小线路板空间,又可降低系统成本。  MSP430F系列器件集成了超低功率闪存、高性能模拟电路和一个16位精简指令集(RISC)CPU,且指令周期短,大部分指令可在一个指令周期 内完成。该器件的工作电流极小,并且超低功耗,关断状态下的电流仅为0.1μA,待机电流为0.8μA,常规模式下
发表于 2020-12-19
基于MSP430F设计的<font color='red'>超低功耗</font>电子温度计方案
物骐微电子让TWS耳机超低功耗实现新突破
近年来,TWS耳机的发展势头呈爆发式增长,无论是在市场开拓,还是技术创新和应用上,仍有较大发展空间。 TWS耳机受限于体积小,电池容量有限,续航时间难以满足用户需求,频繁充电成了最大的槽点之一。当前TWS耳机重点升级方向之一是在不增加体积的前提下,进一步提升主芯片的处理能力,实现更好的降噪效果。这就对TWS耳机主芯片的先进工艺、高集成度和超低功耗提出新的要求。 上海物骐微电子有限公司(物奇微电子全资子公司)设计的超低功耗蓝牙音频SoC芯片WQ7033引起了高度关注。 WQ7033功耗与性能并驾齐驱 在国内绝大部分TWS耳机的功耗管理、降噪效果、抗干扰能力等性能尚不完善,各种蓝牙芯片、电池
发表于 2020-12-14
物骐微电子让TWS耳机<font color='red'>超低功耗</font>实现新突破
小广播
何立民专栏 单片机及嵌入式宝典

北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2022 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved