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

　　

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