对大多数应用来说,人机界面、低功耗和无线连接集成是单片机MCU)的三大前沿技术。而新型技术的推出都是以一定的应用为背景的。

 

在超低功耗领域也是如此。 Microchip 公司宣布推出具有多种全新低功耗休眠模式且工作电流业界最低的 PIC24FJ128GA310(PIC24F“GA3”)16 位闪存 MCU 系列,扩展其超低功耗(XLP)单片机(MCU)产品线。PIC24F“GA3”器件具有 150 μA/MHz 工作电流,堪称业界最低的工作电流之一,而且提供新的支持 RAM 保存的低电压休眠模式和用于实时时钟的 VBAT 的电池供电,再添加了 6 路 DMA 通道,提高数据的传输。

 

图 1 PIC24FJ128GA310 结构框图


降低功耗的措施

每个厂商对于降低功耗都有不同的处理方式。虽然每个 MCU 都有休眠状态或都有可能实现很低的工作耗电量,但是有的芯片在处于很低功耗的时候,基本功能也所剩无几了,没有时钟、没有 RAM,所有功能都关掉了。而 Microchip 的处理方式就是把每个功能降到最低的同时还给客户一个选择。例如如果你需要 RAM,那么此芯片提供低电压状态,让 RAM 保留参考数据。如果不需要,那么可以进入真正的休眠状态。

 

说到降低耗电量,主要是看器件的工作电流和待机电流。“PIC24F“GA3”系列将工作电流降低至仅有 150 μA/MHz,这是业界 16 位闪存单片机中,电流消耗最低的。”Microchip 先进单片机架构部产品营销经理崔勇介绍说,而且 Microchip XLP 产品系列在深睡眠状态下的待机电流最低可以降到 40nA 甚至 20nA。这是因为 PIC24F“GA3”采用了一些创新,例如引进了一个新模式——低电压休眠状态,让设备在深睡眠状态下,同时保持 RAM,保留一些参考数据。一般来说,如果设备进入深睡眠状态,包括 RAM 等很多功能就会丢失。Microchip 开发的这项 RAM 保存功能是介于睡眠和深睡眠之间的一个新的低功耗状态。

 

同时,新产品还加入了一个新功能 VBAT 电池备份, 是专门用于实时时钟供电的引脚。采用 VBAT 给实时时钟供电,耗电量可以低到 400nA。

 

此外,新产品系列还新增了 6 路 DMA (存储器直接访问) 通道,可以帮助把数据从外设上直接转到 RAM,从而降低 CPU 负载,间接帮助实现低功耗。

 

低电压休眠模式和 VBAT 的应用

PIC24F “GA3”的目标应用覆盖了消费类产品、工业、医疗和仪表等低功耗领域。其中一个比较重要的是仪表,例如智能电表。该应用要求功耗低,并且在停电的时候需要有备用电池的支持。

 

具体的应用实例有,欧洲 IEC 规定,功率计(电表)内的芯片计量功能不能超过 10VA。因此如果在计量时耗电量过高,会浪费很多电,达不到 IEC 需求。Microchip 的 PIC24F“GA3”系列的方案中,计量结果可以直接放到 RAM 里,就无需浪费 CPU 的功能去做数据传输,这样 CPU 主芯片的负载就可以减轻,或运行更复杂的代码,诸如加入通信功能,让电表性能更高。

 

再有,我国的国家电网的自动抄表方式,需要每隔一段时间把表唤醒一次,将数据发送出去。这时,如果自动抄表经常要唤醒抄数据,就可以把数据保存在 RAM 里,唤醒时可以直接在 RAM 里面读取数据,比把数据放到 Flash 里面的功耗更低。

 

恒温器在深度休眠时,很多功能都被关掉,只能显示 LCD 的结果,但是不能刷新屏幕。如果用低电压休眠模式,就可以保证刷新 LCD 的数据。此外,和同类 16 位 MCU 相比,功耗会降低 30%。延长了电池寿命后,便有额外的供电能力去实现 RF 或无线。VBAT 单独的电池供电引脚可以节省电池更换时间,可以单独用纽扣电池给实时时钟供电,用额外的碱性电池给屏幕供电,因此可以保证换碱性电池时,时钟不会更改。

 

此外,Microchip 还提供了一个小工具——电池寿命估算器。用户只需要将各种电压和环境温度参数放进去,以及输入所需的各种功能要求,这款工具可以估算出电池的使用寿命。

 

工艺及对低功耗的影响

从工艺的角度来讲,Microchip 有 0.25,0.35 和 0.18 微米,也提供 130nm 或 90nm 的产品,各种工艺都有。但用户不一定要追求先进的工艺,有些市场如果用 0.35 或 0.25 微米能满足需求,就没有必要一味追求 90nm 或 130nm。通常来说,工艺越高,漏电也越厉害。所以这是一个平衡的问题;如何去权衡高级工艺和漏电。比如我们可以选择一些低功耗的功率,或者在高功耗功率上加一些新供电方式去控制。

 

竞争对手和 Microchip 的特色

在嵌入式控制器世界中,Microchip PIC 是一个独特的架构,好处是 Microchip 不仅可以控制自己的产品,还可以控制内核。可以根据市场需求调整。从用户的角度上看,他们是要跟潮流还是要选择一个能满足自己需求的产品。如果你的产品跟别人都一样,那怎么样体现产品的独特性和竞争力?因此,产品要有自己独特的地方,不光要拼价格,还要拼性能。

 

那么,未来 8 位、16 位和 32 位单片机的发展动向如何?严格以数据总线宽度(8 位、16 位或 32 位)来划分单片机市场显得过于简单。单片机市场不会迅速改变,而是会随着低端领域和高端领域的新增应用逐步发展。总之,在不久的将来,不会出现由一个细分市场占据主导地位的局面,现状并不会发生根本改变。虽然 32 位单片机的市场占有率正在迅猛发展,但是,8 位 /16 位 MCU 在市场中的地位仍不可撼动,未来,它们仍将占据巨大的市场份额。Microchip 的崔勇称,其在 8 位单片机市场占有巨大份额,而且还将继续在该领域投入大量资源,同时,Microchip 的 16 位和 32 位单片机市场也在迅速发展,多款新产品已经面世,更多产品即将推出。