【導(dǎo)讀】無(wú)論是黑燈工廠里設(shè)備的有序運(yùn)行，還是溫馨家居中電器的自動(dòng)感知，抑或是數(shù)字醫(yī)療中的體征信號(hào)數(shù)據(jù)采集，微控制器（MCU）幾乎是解決一切有控制需求場(chǎng)景的“萬(wàn)能鑰匙”。近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)走入更廣泛的場(chǎng)景，例如可穿戴設(shè)備、遠(yuǎn)程測(cè)控、無(wú)線傳感等諸多應(yīng)用中，衍生出大量的低功耗類數(shù)據(jù)采集和控制需求，低功耗MCU成為微控制器品類中的一個(gè)重要細(xì)分市場(chǎng)。根據(jù)相關(guān)資訊預(yù)測(cè)，在全球微控制器市場(chǎng)份額中，低功耗微控制器約占15%～20％，2019年市場(chǎng)規(guī)模為44億美元，預(yù)計(jì)到2024年將增長(zhǎng)到129億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）高達(dá)24.1％。
“想一想佩戴起搏器的病人每隔5年或10年開(kāi)一次刀，就是因?yàn)槠鸩麟姵貨](méi)電了；為偏遠(yuǎn)地區(qū)的鐵路山體塌方監(jiān)測(cè)儀更換一次電池，維護(hù)成本可能超過(guò)設(shè)備本身；關(guān)鍵設(shè)施的地震監(jiān)測(cè)如果在發(fā)生地震時(shí)因?yàn)殡姵貨](méi)電而不能正常監(jiān)測(cè)……很多應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)產(chǎn)品方案提出越來(lái)越嚴(yán)格的功耗要求，低功耗MCU正隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的普及迎來(lái)爆發(fā)增長(zhǎng)期。”ADI公司資深業(yè)務(wù)經(jīng)理李勇在最近的一次行業(yè)交流活動(dòng)中指出。ADI從2010年開(kāi)始加強(qiáng)低功耗MCU產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)，結(jié)合其傳統(tǒng)的高性能信號(hào)鏈技術(shù)和業(yè)界領(lǐng)先的電源管理技術(shù)，目前已經(jīng)成功打造了多個(gè)系列的超低功耗MCU產(chǎn)品，適用于工業(yè)、消費(fèi)電子、可穿戴醫(yī)療等廣泛領(lǐng)域。
低功耗“剛需”加速物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用落地，獨(dú)特MCU設(shè)計(jì)打造省電“芯榜樣”
自上世紀(jì)60年代末70年代初，微控制器產(chǎn)品雛形出現(xiàn)，為至今50余年的消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)通信、工業(yè)、汽車(chē)電子、物聯(lián)網(wǎng)電子設(shè)備創(chuàng)新持續(xù)賦能。在此過(guò)程中，MCU性能不斷進(jìn)階，16位、32位乃至64位MCU持續(xù)迭代更新，各種應(yīng)用品類層出不窮，越來(lái)越多的功能部件如存儲(chǔ)器、I/O端口、時(shí)鐘、A/D轉(zhuǎn)換，以及SPI、I2C、ISP等數(shù)據(jù)傳輸接口被整合。
ADI低功耗MCU產(chǎn)品賦能千行百業(yè)應(yīng)用
“每一個(gè)嵌入式系統(tǒng)都需要至少一個(gè)MCU，面對(duì)如今越來(lái)越多的智能化場(chǎng)景，MCU要求在短啟動(dòng)時(shí)間和多種喚醒事件之間達(dá)到最佳的平衡，功耗則成為這類應(yīng)用最關(guān)鍵的制約因素。”李勇敏銳地指出隨著傳統(tǒng)應(yīng)用升級(jí)及新興市場(chǎng)帶動(dòng)，低功耗MCU正不斷觸發(fā)其增長(zhǎng)潛力。作為微控制器的一個(gè)細(xì)分市場(chǎng)，低功耗MCU主要面向便攜式設(shè)備、電池供電、能量采集等需要低能耗工作的電子產(chǎn)品，通常采用了與常規(guī)微控制器不同的設(shè)計(jì)方法和工藝選擇，以降低MCU的能耗和漏電流，從而使其工作更長(zhǎng)的時(shí)間，為電池或能量采集等方式供電的設(shè)備提供更持久的續(xù)航能力。例如連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)儀要求電池續(xù)航14天以上，智能儀表要求電池續(xù)航6年以上，地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)則要求環(huán)境自供電永久續(xù)航等，都需要MCU以極低功耗完成數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理等過(guò)程。
事實(shí)上，低功耗MCU涉及的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)非常多，從如何定義系統(tǒng)架構(gòu)、構(gòu)建平臺(tái)和MCU生態(tài)系統(tǒng)到數(shù)字電路設(shè)計(jì)，從工藝的選擇到模擬電路設(shè)計(jì)，從可靠性設(shè)計(jì)到低功耗設(shè)計(jì)，從應(yīng)用創(chuàng)新到滿足客戶各種需求等，每方面都對(duì)設(shè)計(jì)公司提出很高要求。“盡管現(xiàn)階段市場(chǎng)上的低功耗MCU百花齊放，但ADI還是憑借在低功耗與高性能等多方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，擁有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。”李勇自信地表示。
ADI非常重視低功耗MCU這一重要市場(chǎng)，目前針對(duì)汽車(chē)、消費(fèi)、工業(yè)、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域已推出具有優(yōu)異低功耗性能的一系列產(chǎn)品。ADI低功耗MCU無(wú)論在活躍模式（Active Mode）或睡眠模式（Deep Sleep Mode）等多個(gè)工作模式下都可以保持盡量低的功耗，甚至在外擴(kuò)SRAM串口時(shí)的帶電功耗也非常低，這其中采用了大量的差異化設(shè)計(jì)創(chuàng)新思路，例如：活躍模式下MCU全速運(yùn)行，不同的功能模塊可以進(jìn)行獨(dú)立控制關(guān)斷或激活，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)電效果；由于可穿戴設(shè)備大多數(shù)時(shí)間都處于休眠狀態(tài)，在睡眠模式下ADI低功耗MCU主核可關(guān)閉，但內(nèi)置的智能DMA控制器仍能正常工作，保證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活性的同時(shí)，將整體解決方案的功耗控制得仍然很低；為避免因時(shí)鐘源頻率過(guò)高導(dǎo)致功耗變大，MCU芯片集成了大約3-6個(gè)時(shí)鐘源，客戶無(wú)需配置外部晶振便可控制關(guān)斷用以喚醒設(shè)備外的很多外設(shè)模塊，使MCU漏電流盡可能小……
MAX32660上的DMA控制器的架構(gòu)圖
“這主要得益于ADI全新系列低功耗MCU除了Cortex-M4核之外，通常還內(nèi)置了一顆RISC-V核，負(fù)責(zé)藍(lán)牙通信與I/O口傳感器數(shù)據(jù)的傳輸監(jiān)控等，由于RISC-V核通常功率較低，因此在睡眠模式下實(shí)現(xiàn)了既不影響設(shè)備的正常工作，又能保持低功耗水準(zhǔn)。就像智能手表處于休眠狀態(tài)時(shí)，表盤(pán)可能不會(huì)呈現(xiàn)任何信息，因?yàn)镃ortex-M4內(nèi)核處于休眠狀態(tài)，但RISC-V核仍然在進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集。”李勇補(bǔ)充說(shuō)。
除了內(nèi)核的低功耗設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵之外，存儲(chǔ)器的頻繁數(shù)據(jù)存取產(chǎn)生的功耗也至關(guān)重要。在可穿戴設(shè)備中MCU通常需要頻繁地對(duì)SRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)存取，在睡眠模式下也不能關(guān)斷，而ADI低功耗MCU可以實(shí)現(xiàn)分塊關(guān)斷從而可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)功耗的優(yōu)化，例如僅預(yù)留16k、32k或64k SRAM空間來(lái)存放數(shù)據(jù)，即便是預(yù)留160k存儲(chǔ)空間工作電流也僅有2μA，這在MCU設(shè)計(jì)中也是比較關(guān)鍵的參數(shù)，用戶可以在功耗設(shè)計(jì)時(shí)做好平衡。
不止于低功耗，多個(gè)MCU關(guān)鍵性能升級(jí)錦上添花
ADI低功耗MCU除了在低功耗上的表現(xiàn)突出之外，高性能、安全可靠同樣是其重要標(biāo)簽。由于通常比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手采用了主頻更高的Cortex-M4內(nèi)核（主頻100MHz左右），同時(shí)內(nèi)置大容量存儲(chǔ)器，ADI低功耗MCU可以支持復(fù)雜的應(yīng)用，以及完成一些復(fù)雜的算法，甚至一些小型操作系統(tǒng)。
另一方面，隨著人們對(duì)嵌入式領(lǐng)域的信息安全和程序安全越來(lái)越重視，MCU安全等級(jí)也正在逐步提升，越來(lái)越多的設(shè)備應(yīng)用要求對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行保護(hù)。ADI低功耗MCU內(nèi)部集成了安全算法，可以利用安全引導(dǎo)與加密算法的方式來(lái)保護(hù)客戶的代碼或數(shù)據(jù)信息，甚至通信數(shù)據(jù)也可以進(jìn)行加密防止黑客獲取。
除此之外，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不僅對(duì)功耗敏感，同時(shí)對(duì)設(shè)備尺寸、成本也很敏感，ADI低功耗MCU通過(guò)集成了多功能來(lái)實(shí)現(xiàn)更緊湊的產(chǎn)品方案和整體更低的BOM成本。李勇強(qiáng)調(diào)道：“我們的方案針對(duì)不同的應(yīng)用集成了不同的外設(shè)，例如藍(lán)牙、電源管理以及模擬前端，所以，客戶在做一些自己的應(yīng)用的時(shí)候，甚至可以用單獨(dú)一片芯片就能夠完成它的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)比較低的BOM成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低功耗和小尺寸。”據(jù)李勇透露，即將推出的MAX32690將應(yīng)用處理內(nèi)核Cortex-M4和藍(lán)牙專用核RISC-V集成在同一芯片上，并且藍(lán)牙專用核還帶自己的存儲(chǔ)區(qū)，使得應(yīng)用程序和藍(lán)牙代碼可以完全獨(dú)立的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了高效率和低功耗的完美組合。
布局多元化MCU產(chǎn)品線，積極應(yīng)對(duì)未來(lái)市場(chǎng)需求
不同應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)MCU在功能、性能和功耗的需求可能會(huì)有很大差異，因此針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景，市面上的廠商也都進(jìn)行著精細(xì)化設(shè)計(jì)。“依托在模擬與信號(hào)鏈設(shè)計(jì)方面的研發(fā)制造經(jīng)驗(yàn)，ADI目前已布局了豐富的產(chǎn)品線系列。”李勇進(jìn)一步介紹道，“90nm工藝的通用型低功耗產(chǎn)品MAX32630/32620/32625，針對(duì)可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)終端多市場(chǎng)應(yīng)用的MAX32650/32665/32670，針對(duì)工業(yè)市場(chǎng)應(yīng)用優(yōu)化的MAX32672/32680/32675等，都是性能非常優(yōu)秀、功耗水平非常低的MCU產(chǎn)品。”ADI低功耗MCU針對(duì)客戶的不同應(yīng)用還提供了BGA、TQFP、TQFN、WLD等多種封裝供選擇，例如可穿戴產(chǎn)品追求小尺寸，而工業(yè)類應(yīng)用則更青睞高性能與可靠性封裝等。
ADI豐富的低功耗MCU產(chǎn)品系列
目前，許多可穿戴設(shè)備都要求具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能，不僅是智能手環(huán)存儲(chǔ)用戶的睡眠數(shù)據(jù)、計(jì)步數(shù)據(jù)等初級(jí)應(yīng)用，便攜式醫(yī)療設(shè)備也要求在軟件支持下感知、記錄身體健康數(shù)據(jù)以分析、調(diào)控、干預(yù)甚至治療疾病或維護(hù)健康狀態(tài)，例如胸貼便要存儲(chǔ)大量的心電測(cè)量數(shù)據(jù)。“MAX32650強(qiáng)大的板載存儲(chǔ)器能力極具吸引力，包括高達(dá)3MB閃存與1MB SRAM，器件通過(guò)高效操作可管理更多數(shù)據(jù)、支持醫(yī)療可穿戴應(yīng)用，而不會(huì)耗盡代碼空間，目前在同行業(yè)市場(chǎng)上也很難找到這樣大存儲(chǔ)空間的低功耗MCU產(chǎn)品。”李勇舉例道。
作為全球高性能半導(dǎo)體技術(shù)的領(lǐng)先提供商，ADI低功耗MCU通常結(jié)合了其傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)技術(shù)，例如模擬前端集成了ADC/DAC、藍(lán)牙通信模塊、比較器、放大器、濾波器等，使客戶在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和采購(gòu)時(shí)都能更加簡(jiǎn)便，優(yōu)化性能的同時(shí)還大大簡(jiǎn)化了供應(yīng)鏈的管理。針對(duì)客戶反饋采購(gòu)復(fù)雜或比較昂貴的模擬功能模塊，例如HART調(diào)制解調(diào)器，ADI已將其集成到了工業(yè)MCU系列產(chǎn)品中，當(dāng)用戶用其設(shè)計(jì)溫度變送器、壓力變送器等產(chǎn)品時(shí)，在可靠性、品質(zhì)和成本上都極具優(yōu)勢(shì)。即將發(fā)布的MAX32690和MAX32662還集成了CAN BUS，使得它們不僅可用于醫(yī)療可穿戴設(shè)備，還可用在汽車(chē)檢測(cè)設(shè)備、電動(dòng)摩托等應(yīng)用上。此外，ADI也規(guī)劃了面向未來(lái)需求的系列低功耗MCU產(chǎn)品，例如工業(yè)以太網(wǎng)逐漸成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)和智能制造自動(dòng)化基石，ADI正在研發(fā)將以太網(wǎng)控制模塊集成于低功耗MCU中，以輕松解決設(shè)備連接難題。
越來(lái)越多的物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備雖然體積小，但必須支持一系列復(fù)雜的傳感、通信和處理任務(wù)，低功耗MCU作為終端節(jié)點(diǎn)的核心控制器件，是實(shí)現(xiàn)這一需求的關(guān)鍵因素，將加速推動(dòng)各類創(chuàng)新型終端產(chǎn)品的涌現(xiàn)。“ADI正持續(xù)加大對(duì)智能邊緣領(lǐng)域與數(shù)字化未來(lái)的技術(shù)投資，低功耗MCU作為ADI三大微控制器產(chǎn)品線之一，具有低功耗、高性能、高集成度與安全性等諸多競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，將隨著傳統(tǒng)應(yīng)用的升級(jí)以及新興應(yīng)用的帶動(dòng)，不斷觸發(fā)其潛力角逐更大的市場(chǎng)！”李勇信心滿滿地展望未來(lái)市場(chǎng)機(jī)遇。
關(guān)于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車(chē)和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財(cái)年收入超過(guò)120億美元，全球員工2.4萬(wàn)余人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.analog.com/cn。
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