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;