低功耗微控制器是微控制器的一个细分市场,主要面向便携式设备、电池供电、能量采集等需要低能耗工作的电子产品。通常低功耗微控制器都采用了与通用微控制器不同的设计方法和工艺选择,以降低微控制器的能耗和漏电流,从而使得微控制器可以在使用相同能量的前提下,可以工作更长的时间,为电池或能量采集等方式供电的设备提供更持久的续航能力。

 

IoT进入工业和消费领域,市场需求增长迅速

 

近年来物联网类应用逐渐走入工业和消费领域,尤其在水气热表、穿戴设备、医疗电子、智能家居、远程测控、无线传感等诸多应用中,衍生出大量的低功耗类需求。如连续血糖监测仪要求电池续航14天以上;物流监测定位器要求电池续航3个月以上;智能水表要求电池续航6年以上;山体滑坡监测器要求环境自供电永久续航等等。这些应用采用电池供电或者通过环境能量采集进行工作,同时要求续航时间长达数月,甚至数年,因此功耗成为这类应用最关键的制约因素。低功耗微控制器作为主控器件,在物联网应用中扮演着至关重要的角色,其功耗指标的技术创新将推动物联网应用的快速发展,并衍生出诸多新的产品形态和应用场景。

 

低功耗微控制器市场规模2019年为44亿美元,预计到2024年将增长到129亿美元,年复合增长率(CAGR)为24.1%。根据相关资讯预测,在全球微控制器市场份额中,低功耗微控制器约占15%~20%。意法半导体部门副总裁、微控制器事业部Ricardo de SaEarp也表示:“在过去的五年中,ST微控制器全球份额几乎翻了一倍,STM32低功耗微控制器出货量迄今超过20亿颗。”随着泛智能化应用和物联网的快速发展,低功耗微控制器的市场将继续扩大,这个占比还将进一步提升。

 

工作模式各厂家不同,但行业评价标准已趋于统一

 

不同的应用场景,对微控制器在功能、性能和功耗的需求有很大的差异。有些场景需要全速工作,有些场景需要低速工作,有些场景只需要间歇性工作。针对这些不同的应用场景,各厂商都进行了精细化的设计,支持不同的运行模式和不同深度的休眠模式。但对于不同工作模式的设计和定义,不同微控制器厂商的设计和命名各不相同,因此很难直观的比较产品之间的功耗特性。

 

为了能更好地评价低功耗微控制器的功耗特性,嵌入式微处理基准协会(EEMBC)在2014年3月提出了ULPMark标准,目标在于为开发人员提供能可靠与合理测量微控制器能效的方法。该标准支持两个版本:ULPMark-CoreProfile和ULPMark-PeripheralProfile。

 

ULPMark-Core Profile:侧重于MCU的内核测试。这个测试基准规定了10个1秒钟的处理周期,每个处理周期MCU需要完成指定的通用运算任务,然后可进入睡眠状态。最终以10个周期的平均能量消耗,作为评估芯片功耗水平的依据,从而给出ULPMark-CP的分数。这个分数充分反映了芯片的运行功耗、睡眠功耗以及模式切换过程的功耗,从而能够全面准确地评价芯片的功耗指标。

 

ULPMark-Peripheral Profile:侧重于MCU的常用外设测试,包括脉宽调制(PWM)、模数转换(ADC)、串行外设接口(SPI)以及实时时钟(RTC)。该测试基准规定了10个1秒钟的处理周期,每个处理周期内会按照要求使用ADC、SPI、PWM、RTC等外设,任务完成后内核和外设就可以进入睡眠状态。最终以10个周期内的平均能量消耗,作为评估芯片功耗水平的依据,从而给出ULPMark-PP的分数。

 

ULPMark提供了一个标准化的测试基准,让大家能够对微处理器的不同工作模式进行综合评估,并且把测试结果数值化,具有直观的可比性。该测试基准得到微控制厂商的广泛认可,国际各大MCU厂商均是其会员,采用ULPMark标准进行产品的功耗评测,将相应的跑分上传EEMBC的ULPMark跑分榜单。该榜单对外公开,可直接登录网站查阅。

 

国内外大厂先后布局,低功耗技术各显神通

 

鉴于广阔的市场前景和强劲的发展趋势,各大半导体厂商争先在低功耗领域进行布局。如何实现低功耗微控制器,各厂商各显神通,力求将功耗指标推向极致。

 

国际厂商在低功耗领域布局较早,面向常规低功耗应用领域,均已经形成多系列的产品布局,如ST支持STM32L1、STM32L0、STM32L4、STM32L4+、STM32L5等产品系列。其他如Microchip、SiliconLab、TI等厂商也都有各自的低功耗系列产品。

 

近两年,面向环境自供电的超低功耗应用,各国际厂商正在逐步推出超低功耗系列产品,以拓展智能物联网的应用范围。如瑞萨半导体的RE系列、意法半导体的STM32U5系列、Ambiq Micro的Apollo系列等。基于已有的低功耗技术、低功耗应用、低功耗IP的积累,从工艺制程、设计方法等方面寻求技术突破,陆续推出了其超低功耗的产品系列。

 

瑞萨半导体于2019年底推出其超低功耗微控制器RE系列。该芯片采用瑞萨独有的SOTB(Silicon onThin Buried Oxide)工艺制程,可同时降低运行功耗及待机功耗。RE系列微控制器的电流消耗在工作状态下可低至25μA/MHz,待机状态下可低至400nA。这样的超低功耗指标可显著延长嵌入式设备的电池寿命。该芯片可用于自供电类应用,用户通过从环境中采集能量(例如光、振动或液体流动)提供动力,从而实现智能设备的永久续航。

 

意法半导体凭借其丰富的低功耗技术储备和对低功耗市场的积累优势,在2021年也推出其超低功耗的旗舰版产品STM32U5系列。该芯片采用全新的40nm工艺制程,集成了一个先进的DC/DC电压动态转换器,将动态功耗降低到19uA/MHz以下。此外,STM32U5还采用动态电压调节技术、独有的ST ART Accelerator访存加速技术、支持更多更灵活的低功耗模式,从而保证在不同应用场景下都具有极具竞争力的功耗指标。

 

Ambiq Micro是一家专注于超低功耗的MCU厂商,其Apollo系列引领了超低功耗MCU的新方向。Apollo系列采用亚阈值功率优化技术(SPOT)平台为基础,运行功耗可低至6uA/MHz,是全球同类产品中运行功耗最低的微控制器。亚阈值功率优化技术(SPOT)是当前实现超低功耗的最有效技术,让晶体管能够在远低于“标准”的电压水平下工作,从而实现芯片功耗的大幅度降低,因此其解决方案在功耗改善上实现跨越式的改善。

 

国内MCU厂商进入产业较晚,从产品型号的种类、关键技术的积累等方面,都还无法跟国外厂商相比。国内大部分32位MCU厂商,都还处于填补主流型号的阶段,真正具有低功耗系列型号的厂家屈指可数。但可喜的是,近年来国内部分厂家在低功耗领域已经开始布局,加大了在低功耗微控制器的研发投入,并相继推出了有竞争力的产品型号。

 

兆易创新作为国产32位微控制器的领头羊,2021年10月份推出了其首款低功耗微控制器GD32L233系列。该芯片基于ARMCortex-M23内核,采用40nm超低功耗(ULP)工艺制程,采用多电压域的低功耗设计方法,并集成专门优化的低功耗模拟IP。据报道,该芯片的运行功耗最低66uA/MHz,深度睡眠模式最低2uA左右,适用于能效敏感型应用,如工业表计、小型消费电子设备、便携式个人健康监护设备及环境监测传感器等。

 

华大半导体在低功耗32位微控制产品研发的布局较早,已相继推出HC32L110、HC32L130、HC32L136产品系列。该系列芯片基于Cortex-M0+内核,采用华虹宏力的110nm超低漏电(ULL)嵌入式闪存工艺,采用多电源域的低功耗设计方法。该芯片的运行功耗为130uA/MHz,深度睡眠模式最低为0.9uA,适用于传感器、火灾探头、智能门锁、无线烟感、智能表计、便携式医疗电子、数据采集和传输等应用领域。

 

中科芯蕊是一家专注于低功耗MCU的国内厂商,于今年5月份推出了XRM32UL051系列。该芯片基于Cortex-M0+内核,超低漏电的先进工艺制程,采用其独有的亚阈值技术和异步电路技术,运行模式的功耗低至20uA/MHz,深度睡眠的功耗低至0.7uA。该功耗指标与国际厂商(意法、瑞萨)的最新产品指标接近,适用于智能门锁、智能表计、便携式医疗电子等传统低功耗应用领域,同时能够支持环境自采集类应用,实现设备长期续航。

 

该芯片采用的亚阈值技术和异步电路技术,是当前国际最前沿的低功耗设计技术,是面向环境能量采集自供电应用,实现超低功耗芯片的最有效手段。目前,中科芯蕊XRM32UL051已通过了ULP-Mark的评测,评测得分高达到451分,在同类内核中排名全球第一。

 

 

低功耗MCU有助于推动我国消费电子产业发展

 

在穿戴电子、便携式医疗电子、传感器终端、远程测控等物联网应用,“智能化、小型化、轻重量、长续航”是终端节点持续追求的目标,而低功耗是实现这一目标的最关键因素。低功耗MCU作为终端节点的核心控制器件,对产业发展起着至关重要的作用。近两年,随着国产MCU厂商对低功耗MCU的开始布局,更多的低功耗MCU产品加速推动各类创新型终端产品的涌现,从而推动产业的快速发展和升级。

 

作者丨胡晓宇(北京中科芯蕊科技有限公司总经理)

编辑丨连晓东

美编丨马利亚