超低功耗

基于32位Arm Cortex-M23的MCU,通过灵活的电源配置,提供同类产品中一流的低功耗,可在多种应用中降低平均功耗

2020年12月2日,日本东京讯 - 全球半导体解决方案供应商瑞萨电子集团(TSE:6723)宣布,推出包含20款微控制器(MCU)的全新RA2L1产品群,以扩展其32位RA2系列MCU,使RA产品家族的MCU增加至66款。通用型RA2L1 MCU采用Arm®Cortex®-M23内核,工作频率最高48MHz。通过易用的灵活配置软件包(FSP)以及由瑞萨合作伙伴生态系统提供的开箱即用的软硬件模块解决方案,支持RA2L1 MCU的开发。RA2L1 MCU的超低功耗与创新触摸感应接口使其成为家电、工业、楼宇自动化、医疗保健以及消费类人机界面(HMI)物联网应用的理想选择。

RA2L1 MCU专为超低功耗应用而设计,并集成了多项可降低BOM成本的外设功能,包括电容式触摸感应、最大256KB的嵌入式闪存、32KB的SRAM、模拟、通信和时钟,以及安全和加密功能。在很多电池供电的应用中,MCU大部分时间处于低功耗待机模式,等待内部或外部事件来唤醒CPU并处理数据、做出决策,并与其它系统组件进行通信。在功耗测试中,RA2L1 MCU在1.8V电压下的EEMBC®ULPMarkTM评测得分为304,验证了其在同类产品中达到了一流的功耗水平。用户现可将功耗降至接近待机水平,以延长电池寿命。

瑞萨电子物联网及基础设施事业本部高级副总裁Roger Wendelken表示:“RA产品家族不断推出新产品,我很高兴地宣布RA2系列通用MCU针对物联网HMI应用进一步扩展。RA2L1 MCU从最底层开始,专为达到最低待机功耗这一目标进行了优化设计、集成先进的电源和时钟门控功能,并搭载瑞萨领先的、具有高度差异化功能的第二代电容式触摸感应单元。”

RA2L1 MCU中先进的电容式触摸IP,可使各种接触式和非接触式系统实现更强操作性。例如,可以透过厚度超过10毫米的亚克力或玻璃面板实现按键感应,这足以用于带有厚门板或隔板的家用设备。它还可实现接近传感(悬停)和3D手势控制,从而有效应对卫生或安全方面的条件限制。RA2L1电容式触摸的噪声容限符合IEC EN61000-4-3等级4(辐射抗扰)和EN61000-4-6等级3(传导抗扰)的要求,确保运行的可靠性并最大程度降低感应误差。

RA2L1 MCU产品群关键特性

  • 48MHz Arm Cortex-M23 CPU内核
  • 支持1.6V-5.5V宽范围工作电压
  • 超低功耗,提供64μA/MHz工作电流和250nA软件待机电流,快速唤醒时间小于5µs
  • 采用瑞萨110nm低功耗工艺,用于运行和睡眠/待机模式,并且专门为电池驱动应用设计了特殊掉电模式
  • 灵活的供电模式可实现更低的平均功耗,以满足多种应用需求
  • 集成了新一代创新型电容式触摸感应单元,无需外部元器件,降低BOM成本
  • 通过高精度(1.0%)高速振荡器、温度传感器和多种供电接口端口等片上外围功能降低系统成本
  • 后台运行的数据闪存,支持一百万次擦除/编程循环
  • 采用LQFP封装,产品涵盖48引脚至100引脚封装

RA2L1 MCU还提供IEC60730自检库,并具有集成的安全功能,可确认MCU是否正常运行。客户能够轻松地利用这些安全功能来执行MCU自诊断。此外,RA2L1包括AES硬件加速、真随机数发生器(TRNG)和内存保护单元,为开发安全的物联网系统构建了基本模块。

RA2 MCU搭配灵活配置软件包(FSP),使客户可以复用其原有代码,并与生态系统合作伙伴的软件相结合,从而加快复杂连接功能和安全功能的开发速度。FSP包含FreeRTOS与中间件,为开发人员提供了将设备连接到云端的优选功能。也可以用其他任何RTOS或中间件轻松替换和扩展这些开箱即用的功能。

作为FSP的一部分,包含了业界一流的HAL驱动程序,并为使用RA2L1 MCU的开发项目提供了许多高效的工具。e2 studio集成开发环境提供的开发平台,可以管理项目创建、模块选择与配置、代码开发、代码生成及调试等所有关键步骤。FSP通过GUI工具来简化流程并显著加速开发进程,同时也使客户能够轻松地从原先的8/16位MCU设计转移过来。

供货信息

RA2L1 MCU现可从瑞萨经销商处购买。了解更多信息并获取评估板,请访问:
https://www.renesas.com/ra2l1

关于瑞萨电子集团

瑞萨电子集团 (TSE: 6723) ,提供专业可信的创新嵌入式设计和完整的半导体解决方案,旨在通过使用其产品的数十亿联网智能设备改善人们的工作和生活方式。作为全球微控制器、模拟功率器件和SoC产品供应商,瑞萨电子为汽车、工业、家居、基础设施及物联网等各种应用提供综合解决方案,期待与您携手共创无限未来。更多信息,敬请访问renesas.com。关注瑞萨电子微信公众号及领英官方账号,发现更多精彩内容。

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可广泛应用于具有防误报功能的红外摄像机、无线人体入侵监控、高端智能楼宇及家居

翠展微电子(上海)有限公司(Grecon)日前宣布推出一款针对人体被动红外(PIR)应用的可编程式超低功耗数字调理芯片M8601。采用该芯片的数字式热释电探头,通过该传感器的陶瓷敏感元检测出人体红外辐射信号,探头内部的信号调理芯片再进行数字化采样、滤波以及逻辑运算。通过对芯片内部的寄存器进行配置,把经过处理之后的数字信号或I/O信号以单线通信模式(兼容DOCI)传输给外部单片机或负载电路。在正常工作模式下芯片工作电压范围是1.4V-3.6V,芯片具有极低的功耗电流,在工作电压3V条件下,整个探头的功耗低于3µA。

M8601是一款超低功耗可编程信号调理芯片,可以根据用户的实际使用需求,通过外部单片机对其内部的寄存器进行配置,把芯片设置成人体移动检测模式,或者是PIR信号数字采样模式。该芯片集成了传统模拟探头JFET的功能以及除电容以外的绝大部分周边电路,外部电路极为精简(参看下图1),专门为电池驱动的无线运动传感器应用场景量身定做。该芯片设计有两个PIR输入引脚,陶瓷敏感元可以采取差分输入或者共模输入方式与之相连。同时,芯片与外部电路的通信也只需要两根信号线便可实现,即单片机对芯片的配置总线SERIN,以及芯片对外输出的信号线INT/DOCI。

图1 M8601 可编程数PIR信号调理芯片, 结合了数字PIR芯片和智能人体运动检测功能

在实际应用中,可以利用芯片的低功耗以及可编程特性,把芯片设置成人体运动检测模式。当检测区域内有人体移动时,探头的敏感元识别到红外信号之后传输给内部的数字信号调理芯片M8601。经过M8601进行数字运算,最后输出高电平的中断信号,来唤醒外部电路或负载。该芯片目前处于量产状态,可以批量向用户提供DFN封装、晶圆或者用户定制的其他封装形式的产品。

芯片的INT/DOCI是一个具有双功能的引脚,可以同时用作运动触发事件的中断输出以及原始PIR信号的输出。通过对M8601进行必要的编程使其工作在人体运动检测模式,当M8601产生一个触发事件之后,并通过INT/DOCI引脚输出高电平信号给外部单片机。单片机收到这个信号之后,可以在不需要重新配置M8601的情况下,立刻进入PIR信号读数模式状态,通过该引脚(INT/DOCI)直接读取PIR信号的大小,进一步判断芯片检测到的运动信号幅值是否超过了预设的触发阈值。利用这一特性,可以实现系统防误报功能。

M8601内部包含有一个分辨率是14位的高精度ADC转换器,通过相应的设置,可以分别采样PIR模拟电压信号以及片上的温度信号。然后通过片内的数字电路进行运算和处理。芯片内部逻辑电路再把经过逻辑运算后的数字信号或者运动触发中断信号传输到INT/DOCI接口,最后,外部单片机识别到该信号之后再作进一步处理。

除上述特点以外,M8601还具备独特的防误报功能。当M8601配置在人体运动检测工作模式条件下,一旦芯片检测到人体移动信号并且通过INT/DOCI接口发出Motion中断,外部单片机识别到中断信号之后无需重新配置,可以通过INT/DOCI接口立刻进行数据采集得到原始PIR信号。然后,单片机再按照预先设定的算法,对INT/DOCI接口采集到的PIR原始数据以及之前收到的Motion中断信号进行逻辑运算,可以进一步判断是否为真实的人体运动信号还是误报。芯片的这一功能在很多需要防误报的应用场景中非常重要,如监控摄像机、高端远程监控报警器、红外摄像机等等。详细工作的时序图如下图2。

图2 M8601防误报功能:在Motion模式下进行数据采集

主要特点:

  • 芯片可编程检测机制及工作模式
  • 兼容模拟探头及集成式探头方案
  • 宽电压工作范围1.4V-3.6V
  • 极低的工作电流,3µA典型值
  • 兼容差模、共模PIR信号输入方式
  • 内置片上温度传感器可实现温度补偿
  • 上电后系统可快速稳定

应用领域:

  • 无线人体入侵探测器
  • 电池驱动的应用领域
  • 应急照明系统
  • 红外摄像机
  • 工业领域安防、报警
  • 智能楼宇、智能照明、智能家居

典型应用电路:M8601与模拟探头匹配使用

图3 M8601外置模拟探头工作模式

图3的方案是M8601和结合传统模拟探头的典型应用电路,模拟探头检测的信号经前置硬件滤波电路之后传给M8601的输入级,然后M8601根据外部单片机的配置模式(通过SERIN引脚配置)进行工作。可以根据用户的实际需求,把M8601配置成数字采样模式,或者是人体运动检测模式。芯片根据内部运算逻辑,输出相应的数字信号或者是中断信号来唤醒外部单片机或者设备。在上面这个应用电路中,芯片内部的LDO (引脚是VPIR)是屏蔽的,在实际使用的时候,也可以把这个电源引出来给模拟探头供电,进一步地简化电路。

典型应用电路:集成式PIR数字探头

图4 内部集成了M8601的可编程式PIR数字探头

图4的方案是内部集成式了M8601芯片的PIR数字探头。探头与外部电路只需4个引脚相连,即电源VDD,“地”VSS,探头配置端口SERIN, 以及中断及信号输出口INT/DOCI。系统上电之后,外部单片机首先通过SERIN接口对数字探头进行编程和配置,然后根据相应的配置模式,通过INT/DOCI输出对应的信号。相比之前的数字探头,采用M8601芯片的探头功耗大大降低,外部电路也仅需要在靠近VDD引脚的地方增加一个陶瓷电容即可,电路非常简单。同时,独特的防误触发功能以及自检功能也为终端用户以及探头厂家带来极大的便利,不但提升产品性能的也节约了后续的检测成本。

欲了解更多信息、数据表、应用说明和索取样品及参考设计,请发送主题为“热释电传感器芯片或者是PIR芯片”的电子邮件至sales@grecon-semi.com,欢迎访问公司网站(www.grecon-semi.com)。

翠展微电子(上海)有限公司

翠展微电子(上海)有限公司,成立于2018年5月,公司位于中国上海张江综合性国家科学中心的张江集成电路产业区内。公司致力于研发、生产基于功率半导体技术和半导体芯片的系统解决方案,拥有丰厚的技术资源与设计经验。团队由多名业内资深人员构成,成员具有平均15年国际汽车半导体公司及汽车电子行业的销售、应用、方案设计及设计研发经验,在汽车级功率器件与集成电路产品领域具有雄厚的研发实力和销售渠道。为客户提供个性化、系统级的高性价比产品与技术咨询服务。

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MAX32666支持无线连接,大幅延长电池寿命并缩小纽扣电池供电设备的体积

2020年7月22日—Maxim Integrated Products, Inc (NASDAQ: MXIM) 宣布推出支持无线连接的MAX32666微控制器(MCU),帮助设计者将纽扣电池供电的物联网(IoT)产品BOM成本降低三分之一,并大幅节省空间、延长电池寿命。这款超低功耗双核Arm® Cortex®-M4 MCU具有浮点运算单元(FPU)和低功耗蓝牙5.2 (BLE 5.2),在单一芯片内集成了传统上多片MCU才具备的可靠存储器、安全功能、通信、电源管理和处理功能,从而有效延长设备的电池工作寿命。

关于Maxim Integrated DARWIN微控制器方案的详细信息,请访问:https://www.maximintegrated.com/cn/products/microcontrollers/low-power-m...

订购MAX32666或了解更多信息,请访问:https://www.maximintegrated.com/cn/products/microcontrollers/MAX32666.ht...

下载高清图片,请访问:https://www.maximintegrated.com/content/dam/images/newsroom/2020/max3266...

随着IoT应用向高端发展,通常会将更多的MCU整合到系统中。这些系统通常包括负责支持处理应用的专用处理器、作为传感器数据集中器的处理器、负责无线连接的BLE微控制器,多数情况下还有独立的电源管理IC (PMIC),为MCU提供高效供电。由于IoT应用的复杂度越来越高,同时要求产品尺寸越来越小、电池工作寿命越来越长,传统的多芯片方案难以满足后续的设计需求。

MAX32666 MCU是Maxim Integrated功能丰富的智能化DARWIN家族MCU的最新成员,提供高性能设计。与传统架构相比,该MCU的外形尺寸和占位面积大幅减小,使IoT产品设计者能够将当前设备中的3颗芯片整合在一起,大幅降低BOM成本。该款双核Cortex-M4F MCU支持复杂函数的高效计算,工作频率高达96MHz,相比最接近的竞争方案数据处理速度提高50%。为了替代单独的PMIC方案,MAX32666集成了单电感多输出(SIMO)稳压器,有效延长小尺寸电池供电产品的工作时间。MCU带有BLE 5.2,支持高达2Mbps数据吞吐率和远距离传输(125kbps和500kbps),发送器输出功率高达+4.5dBm,并可编程至最低-95dBm。器件还利用信任保护单元(TPU)以及强大的数学加速器支持椭圆曲线数字签名算法(ECDSA),从而保护终端应用免受网络安全威胁。 IC的硬件加速器提供AES-128、192和256加密,TRNG种子发生器和SHA-2加速器增强系统安全性。器件也通过安全引导装载程序保护IP固件。MAX32666强大的板载存储器能力极具吸引力,包括高达1MB闪存和560KB SRAM,可满足绝大多数高可靠性应用中的可选纠错码(ECC)需求,以及多种高速外设的需求。器件通过高效操作可管理更多数据、支持更强大应用,而不会耗尽代码空间——所有这一切都拥有业界最佳的电源管理技术。

主要优势

  • 可靠性:通过在Flash、SRAM和缓存中集成ECC,额外增加一层保护,防止错误的位翻转。
  • 低成本:在单片IC中集成两个微控制器核、采用专有的堆栈核蓝牙无线通信、电源管理、安全的大容量存储器。通过使用双核96MHz Cortex-M4 FPU微控制器以及板载1MB闪存和560KB SRAM,大幅降低BOM成本。 
  • 节省电路板面积: 将多种功能集成到小尺寸、3.8mm x 4.2mm、WLP封装的单片IC。
  • 低功耗:较低的有效工作电流,大幅延长纽扣电池供电设备的电池寿命;提供动态电压调节,最大程度地降低处理器核的运行功耗;支持从缓存执行程序,27.3uA/MHz @ 3.3V;多种关断模式有效延长电池工作寿命,最低功耗模式下仅消耗1.2uA @ 3.3V。

评价

  • “(从2015年)至2030年,IoT设备的安装基数预计将以每年12%的复合年增长率提升,届时数量将超过800亿。”Omdia首席IoT分析师Julian Watson表示:“维持高增长率的关键因素是持续为这些设备增加新的功能,同时提高效率,使最终用户能够认可其价值和便利性。显然,Maxim Integrated正在凭借其新型DARWIN微控制器,推动IoT的普及。”
  • “任何IoT应用都可以通过不断增加微控制器扩展系统功能,但频繁的更换电池会影响最终用户的体验和便利性。” Maxim Integrated微处理器与安全产品事业部执行总监Kris Ardis表示:“我们新的处理器家族可以帮助设计人员减少电池更换、大幅提高计算性能,将可穿戴技术的节能优势应用到更广泛的IoT产品。”

供货及价格

  • MAX32666GWPBT+的价格为5.22美元(1000片起,美国离岸价),可通过Maxim官网及特许经销商购买。
  • 提供 MAX32666EVKIT# 评估套件,可通过Maxim官网购买。

关于Maxim Integrated

Maxim Integrated致力于开发创新的模拟和混合信号产品与技术,让系统更小巧、更智能,同时增强其安全性能、提高能效。我们助力客户在汽车、工业、健康、移动消费和云数据中心等领域的创新设计,提供业界领先的方案,让世界变得更美好。更多信息请浏览https://www.maximintegrated.com/cn

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全新RE01在EEMBC ULPMark-CP基准测试认证中获得705分

全球领先的半导体解决方案供应商瑞萨电子集团(TSE:6723)今日宣布,扩展其超低功耗嵌入式控制器RE产品家族,推出采用瑞萨突破性的SOTBTM(Silicon on Thin Buried Oxide 薄氧化埋层覆硅)制程工艺、基于Arm® Cortex®-M0+内核构建的新品。该RE01群最新成员搭载256KB闪存,区别于已量产、集成了1.5MB闪存的现有产品。该全新控制器具备最小3.16mm×2.88mm WLBGA封装尺寸,且针对用于传感器控制的更紧凑的物联网设备的产品设计进行了优化,适用于智能家居、智能楼宇、环境感测、(建筑物/桥梁)结构监测、跟踪器和可穿戴设备等应用。

新款嵌入式控制器在EEMBC® ULPMarkTM-CoreProfile(CP)认证中获得705分,充分验证了其领先能源效率 (注1)。凭借瑞萨独有的SOTB制程工艺,可极大降低运行及待机电流消耗,才能取得如此高评分。

瑞萨电子高级副总裁、物联网及基础设施事业本部SoC事业部负责人新田启人表示:“我们对RE家族产品的超低功耗获得官方认证感到非常荣幸,并希望以此推动RE产品家族得到更广泛的应用,延长嵌入式设备的电池寿命,并减轻更多客户在电池维护方面的负担。”

该新产品的电流消耗在工作状态下可低至25μA/MHz,待机状态下可低至400 nA,其超低功耗在全球处于领先地位。用户可通过瑞萨超低Iq ISL9123作为外部降压稳压器,将工作电流消耗进一步降低至12μA/MHz。

RE具有超低功耗,可显著延长嵌入式设备的电池寿命。它们还适用于需要多个传感器的实时数据处理应用,即使由低电流紧凑型电池或能量采集设备供电也能高速运行。当前市场上具有1.5 MB闪存的RE MCU适合需要大存储容量的应用,例如图像数据处理或无线更新固件等。而全新RE01产品群非常适合紧凑型设备和用于传感器控制的物联网设备。

全新RE01产品群R7F0E01182xxx的关键特性:

  • Arm Cortex®-M0+ 内核,最大工作频率64MHz
  • 256KB闪存和128KB SRAM
  • 工作电流:25µA/MHz(使用片上LDO时),12µA/MHz(使用外部DC/DC转换器时)
  • 软件待机状态消耗电流:400nA
  • 工作电压范围:1.62V ~ 3.6V;从1.62V开始,最高可达64MHz高速运行
  • 封装规格:约3mmx3mm 72引脚WLBGA、7mmx7mm 56引脚QFN、14mmx14mm 100引脚和10mmx10mm 64引脚LQFP
  • 片上能量采集控制电路(快速启动电容器充电、二次电池充电保护功能)
  • 约4µA超低功耗和14位A/D转换器
  • 支持闪存编程,功耗约为0.6mA
  • 使用TSIP内核的强大安全功能
  • 深度待机模式下,实时时钟可持续工作,1.8V供电时消耗电流为380nA。

RE产品家族开发环境

EK-RE01 256KB评估套件可与用户系统结合使用,以评估包括能量采集系统在内的所有外围功能。该套件中的评估板包括ISL9123超低Iq DC/DC转换器,它能够测量12μA/MHz的极低工作电流。除了能量采集系统所需的能量采集元件接口和二次电池连接接口外,评估板还配备了可轻松扩展和评估传感器板的Arduino兼容接口,以及可轻松扩展并评估无线功能的PmodTM连接器。

兼容的开发工具包括支持IAR C/C++编译器的IAR Embedded Workbench® for Arm和支持GNU编译器的e2 studio,两款工具均可免费获得。此外,还提供支持Arm Cortex微控制器软件接口标准(CMSIS)的驱动程序软件,同时也可支持用于无法承受由驱动程序软件运行导致功率损耗的低功耗应用的低级示例代码。

瑞萨电子致力于扩展基于SOTB工艺的RE产品家族阵容、支持低功耗系统的开发,进而推动实现环保型智能社会。

供货信息

新款RE01嵌入式控制器样片现已开始供货,计划于2020年7月下旬开始量产。采用LQFP封装的R7F0E01082CFM,10,000片批量时参考起价为每片3.33美元。EK-RE01 256KB评估套件计划于2020年8月下旬发布。

RE产品家族的更多详细信息,请访问:
https://www2.renesas.cn/products/microcontrollers-microprocessors/re.html

(注1)嵌入式微处理器基准评测协会(EEMBC)作为一家非盈利行业组织,致力于推动标准化测试基准。经其认证的基准分数被广泛认为是对多家厂商产品进行公正评估不可或缺的数据。EEMBC ULPMarkTM的更多详细信息,请访问:https://www.eembc.org/ulpmark/

关于瑞萨电子集团

瑞萨电子集团 (TSE: 6723) ,提供专业可信的创新嵌入式设计和完整的半导体解决方案,旨在通过使用其产品的数十亿联网智能设备改善人们的工作和生活方式。作为全球领先的微控制器供应商、模拟功率器件和SoC产品的领导者,瑞萨电子为汽车、工业、家居、基础设施及物联网等各种应用提供综合解决方案,期待与您携手共创无限未来。更多信息,敬请访问renesas.com。关注瑞萨电子微信公众号领英官方账号,发现更多精彩内容。

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在物联网的推动下,业界对各种电池供电设备产生了巨大需求。这反过来又使业界对微控制器和其他系统级器件的能源效率要求不断提高。因此,超低功耗(ULP)已成为一个过度使用的营销术语,特别是用于描述微控制器时。作为理解ULP背后真正意义的第一步,应考虑其各种含义。

本文我们将考察ADI公司的两款微控制器,以帮助大家了解如何在此背景下解读超低功耗的真正意义。我们还会讨论 EEMBC联盟的认证机制,因为它确保了得分的准确性,可帮助系统开发人员为其解决方案选择最合适的微控制器。

测量和优化超低功耗

作为了解ULP的出发点,我们首先解释如何测量它。开发人员通常会查看数据手册,在其中可以找到每MHz的电流值,以及不同睡眠模式下的电流值。

第一个问题是,查看工作功耗时,数据手册通常不会解释获得该值的条件。例如代码、电压和闪存上的等待状态。有些供应商使用工作模式参考,例如EEMBC CoreMark,而有些供应商则使用像"while 1"语句一样简单的操作。如果闪存上有等待状态,则微控制器单元的性能会降低,增加执行时间,从而提高执行任务的能耗。有些供应商提供典型电压时的数值,有些提供最低电压时的数值,还有些供应商不指定任何电压。也许这些差异很微妙,但没有一个标准的话,比较只能是大致上的对比。

通常,深度睡眠模式在数据手册中有相当详细的解释,但同样,获得这些模式下的电流消耗的条件因供应商而异(例如保留的内存量或电压)。此外,在实际应用中,用户还必须考虑进入和退出这些模式所消耗的电能。这可能是一个微不足道的值,也可能事关重大,取决于器件是大部分时间处于睡眠模式还是频繁唤醒。

第二个问题是器件有多长时间处于睡眠状态?工作模式和睡眠模式之间的平衡对于确定ULP测量非常重要。为了简化该过程,EEMBC对其ULPMark-CoreProfile (ULPMark-CP)使用1秒钟时间;这是一项基准测试,许多微控制器厂商将其用作数据手册的标准。注意:使用1秒的决定被视为EEMBC工作组的共识。考虑到ULPMark-CoreProfile工作负载的工作时间,占空比将为98%左右。在该基准测试中,器件每秒唤醒一次,执行少量工作(工作周期),然后回到睡眠状态。

通常,在工作模式下,模拟电路会导致电流消耗存在偏移;因此,使工作电流最小并有效使用深度睡眠模式对优化整个系统的电能使用是有意义的。请注意,降低频率会降低工作电流,但时间会增加,前面提到的模拟电路造成的偏移在微控制器处于工作状态时保持不变。但是,微控制器不同选择的利弊是什么?应用的占空比和深度睡眠电流对消耗的电能有何影响?

每周期的电能是占空比D(以睡眠模式时间占总时间的百分比给出)的函数,可由一个简化的公式来定义,假设开启和关闭转换的电能很小。


其中,斜率由ION定义,因为ISLEEP远小于ION,y轴截距就是ISLEEP。此 公式可以帮助理解占空比,其中工作电流比睡眠电流更重要。

图1. ULPMark-CP的占空比为1秒。

在此期间,器件从深度睡眠模式唤醒,执行固定的工作负载,然后返回深度睡眠模式。

超低功耗测试平台

比较ADI公司的两款微控制器——ADuCM4050 和 ADuCM302x的超低功耗(电能)特性。在ULPMark节课表中, ADuCM4050和ADuCM302x的得分分别为203和245.5。请记住,该基准测试仅操作微控制器单元的核心(因此得名CoreProfile)。如何解释18%的差异?

ADuCM4050包含一个采用ARMv7E-M架构的ARM® Cortex®-M4F。ADuCM302x包含一个采用ARMv7-M架构的ARM Cortex-M3。虽然两个内核均有带分支推测的三级流水线,并且两者的指令集架构相似,但只有Cortex-M4F支持DSP和浮点指令。ULPMark-CoreProfile没有DSP指令,因此Cortex-M4F器件没能发挥FPU的优势。

对于基准分析,ADuCM4050和ADuCM302x分别工作在52 MHz和26MHz。ADuCM4050需要大约11,284个周期来执行ULPMark工作负载,ADuCM302x需要10,920个周期,这意味着前者在1秒周期的217μs内完成工作模式部分,而后者的工作时间为420 μs。ADuCM4050使用的周期数比ADuCM3029多的原因是所用频率不同(分别为52 MHz和26 MHz),ADuCM4050的闪存需要一个等待状态,而ADuCM3029的闪存上没有等待状态。ADuCM4050具有高速缓存,因此在闪存上增加等待状态不会有太大影响,因为许多指令是从高速缓存执行,可以全速(52 MHz)存取而无需额外的等待状态。关于执行时间,同预期一样,ADuCM4050执行工作负载的速度比ADuCM3029更快,因为其运行频率是ADuM3029的两倍。

表1. 在流行的ARM内核上完成ULP-Mark-CoreProfile工作负载所需的大致周期数。周期数是近似值,因为周期数还与编译器有关。

*这是基于Cortex-M0+和Cortex-M3数字的估计值。

但为什么ADuCM4050比ADuCM3029多消耗10 μA/MHz?这种增加背后的原因是,前者能以两倍于后者的频率工作,因而需要额外的缓冲器来实现对更高频率的时序约束。

同ADuCM3029相比,ADuCM4050还有一些额外特性:

  • 存储器大小加倍(SRAM 和闪存均是如此):128 kB 和512 kB,而ADuCM3029 只有64 kB 和256 kB。根据应用需求,您可能需要额外的存储空间。
  • 频率加倍:52 MHz,而ADuCM3029 只有26 MHz,因此ADuCM4050性能更好。
  • 增加了RGB 定时器。
  • 增加了新的安全特性:带密钥包裹- 解包功能的保护密钥存储和带密钥解包功能的键控HMAC。
  • 增加了三个额外的SensorStrobe 输出。
  • 增加了全部SRAM 内容保留功能:ADuCM4050 最多可保留124kB,而ADuCM3029 最多只能保留32 kB。

图2. ULPMark-CP结果前10名,位于EEMBC网站(2017年8月18日)。

根据应用需求(功耗优化、额外存储、工作性能、内容保留等),您可以决定使用ADuCM4050还是ADuCM302x产品。

关于深度睡眠模式,ADuCM4050在运行ULPMark-CoreProfile并保留比ADuCM3029多一倍的存储器内容时(前者为16 kB,而后者为8 kB),实现了更低的休眠功耗。这种改善的原因是较新的ADuCM4050产品采用增强型架构。

编译器的作用

ULPMark包括两种操作状态:工作状态和低功耗状态(器件处于睡眠模式)。这些状态均纳入恰好为1秒的占空比中。在工作状态下,每个器件执行相同的工作负载。但正如我们所看到的那样,工作效率受架构的影响。此外,它也受编译器的影响。编译器可能会选择更改和优化语句,致使指令组合发生变化。

根据应用的需要,您可以针对尺寸和速度进行优化,以平衡尺寸和速度等因素。循环展开是一个简单的例子,执行的分支数与循环体内代码的比例会发生变化。编译器在寻找更好的计算结果方式上仍能起到重要作用,但所做的工作是等价的。例如,ADuCM3029的ULPMark-CP结果可能会因优化程度不同而异:针对速度高度优化时为245.5,中等优化时为232,低度优化时为209。Texas Instruments MSP430FR5969的ULPMark结果是说明编译器重要性的另一个例子。通过应用更新版本的IAR Embedded Workbench编译器,结果提高了5%——尽管不知道内部编译器做了什么改变来实现这一改进(www.eembc.org/ulpbench/)。同样,若不深入了解专有编译器技术,就无法知道为什么STMicroelectronics STM32L476RG从使用ARMCC编译器变为IAR编译器后,结果提高了16%。

ADI公司MCU的两个结果均是利用IAR编译器编译的代码生成的,但版本不同。ADuCM4050和ADuCM302x分别使用IAR EWARM7.60.1.11216和7.50.2.10505。同样不知道做了哪些内部改变。提交的两个得分使用了与优化速度对应的no_size_constraints选项。

将ULPMark转换为电能值

ULPMark-CoreProfile使用一个取电能值倒数的公式(10个周期,5个每秒平均电能值的中位数)。


电能为器件执行工作负载(处于工作模式)时消耗的电能与器件处于休眠状态时消耗的电能之和。


根据 ADuCM3029 数据手册,运行质数代码时,工作电流的典型值为980 μA。此代码装入缓存,以利用其功耗较低的优势。对于ULPMark-CoreProfile代码,由于它主要是线性代码,使能缓存没有什么太大好处,因此电流消耗与数据手册中针对禁用缓存所显示的电流消耗(1.28 mA)相似。关于休眠电流,ULPMark-CoreProfile要求使能LFXTAL和RTC,因此睡眠模式下的电流消耗为830 nA(根据数据手册)。如上所述,工作时间持续420 μs。


根据数据手册数字和执行时间,工作电流的电能为1.61 μJ,睡眠期间消耗的电能为2.49 μJ。根据这些值得到的分数与EEMBCEnergyMonitor软件测得的分数相符。


第一代ULPMark的缺点之一是运行规则将工作电压限制在3 V(工作组这样做的目的是为所有器件建立一个通用电平)。大多数现代MCU在更低电压下运行的能效要好得多(尽管这可能受温度和工作频率的影响)。例如,利用DC-DC转换器将电压从3 V降至1.8 V,STMicroelectronics STM32L476RG的ULPMark结果提高了19%。

图3. ADuCM4050框图。其集成一个1.2 V低压差稳压器(LDO)和一个可选容性降压调节器。

公布的结果受DC-DC转换器使用的影响,STMicroelectronicsSTM32L476RG并非不是唯一这样的器件,但有些器件将转换器集成到器件本身,如ADuCM302x和ADuCM4050,不需要外部IC来提高器件的功耗性能。尽管如此,使用DC-DC转换器有助于创造公平竞争环境,因为它允许器件以最佳能效运行。例如,仅工作在3 V的器件不会从DC-DC转换器受益,因为它已经处于最优(或者可能是次优)的效率水平。另一方面,一个可以工作在1.8 V但没有利用DC-DC转换器的器件,则会浪费64%的供应电能。此外,对于优先考虑能效的系统设计人员而言,如果系统使用3 V电池,则外部DC-DC转换器的附加成本可能并不重要。必须小心使用DC-DC转换器,避免测量转换器而非MCU的能效。尽管如此,必须考虑到在实际应用中,DC-DC工作模式可能有一些缺点,例如工作模式和睡眠模式的相互转换时间会延长。

使用DC-DC转换器时,还需要考虑转换器的类型。一些转换器是基于电感的,可能会带来更大面积、更高成本以及电磁干扰(EMI)之类的问题。ADuCM4050和ADuCM302x器件使用基于电容的转换器,避免了这些问题。

分析ULPMark-CP结果或数据手册值时,重要的是要承认器件差异的存在。换句话说,测量器件的能效时,漏电流是一个重要因素,尤其是在睡眠模式下。虽然传统的性能基准一般不受影响,但温度和湿度等因素对器件的漏电流有一定程度的影响,进而会影响ULPMark-CP的结果。就制造而言,同一供应商在不同日期或从不同晶圆生产的器件会不相同。甚至同一器件的功耗也可能发生变化(根据测量的时间和地点,变化范围在5%到15%)。从根本上说,这意味着给出的ULPMark-CP得分应被用作能效指南。例如,一个器件的ULPMark结果为245,而来自不同晶圆的同款器件的得分可能在233到257之间(假设变化量为5%)。

认证机制—建立可信度

为了确保得分的真实性,愿意认证其器件的供应商将电路板和工具同平台特定的配置文件一起发送给EEMBC技术中心(ETC)。EEMBC将平台配置文件集成到其系统文件(包括工作负载)中,并在不同电路板上多次测量得分。认证的得分为所有测量的平均值。

通过这种方式,EEMBC确保所有得分的条件相同(相同工作负载、相同电能监测板、相似的温度等)。

图4显示了用于在 ADuCM3029 EZ-Kit上测量ULPMark-CP的连接设置。

图4. 测量得分的电路板设置。

为了测量得分,EEMBC提供了EnergyMonitor软件。单击Run ULPBench(运行ULPBench)按钮后,EnergyMonitor硬件便向ADuCM3029 EZ-Kit板供电,并测量配置文件运行的能耗。执行结束时,软件计算得分并将其显示在屏幕上。软件还会在历史窗口中显示之前周期的平均能耗。

图5. EnergyMonitor软件—GUI。

下一步—MCU效率分析

EEMBC的终极目标是提供多个基准测试套件,使用户能够全面评估MCU。除了关注MCU核心效率的ULP-Mark-CP之外,新发布的ULPMark-PeripheralProfile (ULPMark-PP)聚焦于操作各种MCU外设,如ADC、PWM、SPI和RTC。在ULPMark-PP中,由于器件在工作负载中执行多个外设事务,所以工作功耗和轻度睡眠功耗非常重要。ULPMark-PP的结果可从EEMBC网站获得;ULP-Mark-CP和ULPMark-PP组合可供EEMBC成员使用或授权使用。

接下来开发IoTMark-BLE和SecureMark套件。前者侧重于测量MCU和无线电通过蓝牙®发射和接收数据的效率;后者是一种复杂的安全套件,用于测量物联网器件实现各种加密机制的电能和性能开销。二者均会在2017年底提供给成员和被许可人使用。

基准测试如同汽车,需要人来运行。因此,我们鼓励大家敦促所有MCU供应商运行并发布器件结果。我们还需要更多供应商将ULPMark结果包括在其数据手册中。这会显著增加数据手册中规格特性的可信度和实际可比性。如果MCU供应商未公布这些认证结果,那么您就要问:"为什么不公布,你们在隐藏什么?"

来源:亚德诺半导体

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