【導(dǎo)讀】無論是黑燈工廠里設(shè)備的有序運行，還是溫馨家居中電器的自動感知，抑或是數(shù)字醫(yī)療中的體征信號數(shù)據(jù)采集，微控制器（MCU）幾乎是解決一切有控制需求場景的“萬能鑰匙”。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)走入更廣泛的場景，例如可穿戴設(shè)備、遠(yuǎn)程測控、無線傳感等諸多應(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重要細(xì)分市場。根據(jù)相關(guān)資訊預(yù)測，在全球微控制器市場份額中，低功耗微控制器約占15%～20％，2019年市場規(guī)模為44億美元，預(yù)計到2024年將增長到129億美元，年復(fù)合增長率（CAGR）高達(dá)24.1％。
“想一想佩戴起搏器的病人每隔5年或10年開一次刀，就是因為起搏器電池沒電了；為偏遠(yuǎn)地區(qū)的鐵路山體塌方監(jiān)測儀更換一次電池，維護(hù)成本可能超過設(shè)備本身；關(guān)鍵設(shè)施的地震監(jiān)測如果在發(fā)生地震時因為電池沒電而不能正常監(jiān)測……很多應(yīng)用場景對產(chǎn)品方案提出越來越嚴(yán)格的功耗要求，低功耗MCU正隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的普及迎來爆發(fā)增長期?！盇DI公司資深業(yè)務(wù)經(jīng)理李勇在最近的一次行業(yè)交流活動中指出。ADI從2010年開始加強低功耗MCU產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)，結(jié)合其傳統(tǒng)的高性能信號鏈技術(shù)和業(yè)界領(lǐng)先的電源管理技術(shù)，目前已經(jīng)成功打造了多個系列的超低功耗MCU產(chǎn)品，適用于工業(yè)、消費電子、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，獨特MCU設(shè)計打造省電“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余年的消費電子、計算機通信、工業(yè)、汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)電子設(shè)備創(chuàng)新持續(xù)賦能。在此過程中，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，越來越多的功能部件如存儲器、I/O端口、時鐘、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
“每一個嵌入式系統(tǒng)都需要至少一個MCU，面對如今越來越多的智能化場景，MCU要求在短啟動時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?！崩钣旅翡J地指出隨著傳統(tǒng)應(yīng)用升級及新興市場帶動，低功耗MCU正不斷觸發(fā)其增長潛力。作為微控制器的一個細(xì)分市場，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，從而使其工作更長的時間，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、信號處理等過程。
事實上，低功耗MCU涉及的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計挑戰(zhàn)非常多，從如何定義系統(tǒng)架構(gòu)、構(gòu)建平臺和MCU生態(tài)系統(tǒng)到數(shù)字電路設(shè)計，從工藝的選擇到模擬電路設(shè)計，從可靠性設(shè)計到低功耗設(shè)計，從應(yīng)用創(chuàng)新到滿足客戶各種需求等，每方面都對設(shè)計公司提出很高要求。“盡管現(xiàn)階段市場上的低功耗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特優(yōu)勢，擁有很強的市場競爭力?！崩钣伦孕诺乇硎?。
ADI非常重視低功耗MCU這一重要市場，目前針對汽車、消費、工業(yè)、醫(yī)療等多個領(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無論在活躍模式（Active Mode）或睡眠模式（Deep Sleep Mode）等多個工作模式下都可以保持盡量低的功耗，甚至在外擴SRAM串口時的帶電功耗也非常低，這其中采用了大量的差異化設(shè)計創(chuàng)新思路，例如：活躍模式下MCU全速運行，不同的功能模塊可以進(jìn)行獨立控制關(guān)斷或激活，從而實現(xiàn)節(jié)電效果；由于可穿戴設(shè)備大多數(shù)時間都處于休眠狀態(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)計靈活性的同時，將整體解決方案的功耗控制得仍然很低；為避免因時鐘源頻率過高導(dǎo)致功耗變大，MCU芯片集成了大約3-6個時鐘源，客戶無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，表盤可能不會呈現(xiàn)任何信息，因為Cortex-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。”李勇補充說。
除了內(nèi)核的低功耗設(shè)計非常關(guān)鍵之外，存儲器的頻繁數(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可以實現(xiàn)分塊關(guān)斷從而可以進(jìn)一步實現(xiàn)功耗的優(yōu)化，例如僅預(yù)留16k、32k或64k SRAM空間來存放數(shù)據(jù)，即便是預(yù)留160k存儲空間工作電流也僅有2μA，這在MCU設(shè)計中也是比較關(guān)鍵的參數(shù)，用戶可以在功耗設(shè)計時做好平衡。
不止于低功耗，多個MCU關(guān)鍵性能升級錦上添花
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。由于通常比競爭對手采用了主頻更高的Cortex-M4內(nèi)核（主頻100MHz左右），同時內(nèi)置大容量存儲器，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，隨著人們對嵌入式領(lǐng)域的信息安全和程序安全越來越重視，MCU安全等級也正在逐步提升，越來越多的設(shè)備應(yīng)用要求對數(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)用不僅對功耗敏感，同時對設(shè)備尺寸、成本也很敏感，ADI低功耗MCU通過集成了多功能來實現(xiàn)更緊湊的產(chǎn)品方案和整體更低的BOM成本。李勇強調(diào)道：“我們的方案針對不同的應(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)用的時候，甚至可以用單獨一片芯片就能夠完成它的設(shè)計，從而實現(xiàn)比較低的BOM成本，同時實現(xiàn)低功耗和小尺寸?！睋?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區(qū)，使得應(yīng)用程序和藍(lán)牙代碼可以完全獨立的運行，實現(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)對未來市場需求
不同應(yīng)用場景，對MCU在功能、性能和功耗的需求可能會有很大差異，因此針對不同應(yīng)用場景，市面上的廠商也都進(jìn)行著精細(xì)化設(shè)計?！耙劳性谀M與信號鏈設(shè)計方面的研發(fā)制造經(jīng)驗，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，針對可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)終端多市場應(yīng)用的MAX32650/32665/32670，針對工業(yè)市場應(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?！盇DI低功耗MCU針對客戶的不同應(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)存儲的功能，不僅是智能手環(huán)存儲用戶的睡眠數(shù)據(jù)、計步數(shù)據(jù)等初級應(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)，例如胸貼便要存儲大量的心電測量數(shù)據(jù)。“MAX32650強大的板載存儲器能力極具吸引力，包括高達(dá)3MB閃存與1MB SRAM，器件通過高效操作可管理更多數(shù)據(jù)、支持醫(yī)療可穿戴應(yīng)用，而不會耗盡代碼空間，目前在同行業(yè)市場上也很難找到這樣大存儲空間的低功耗MCU產(chǎn)品?！崩钣屡e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)品開發(fā)和采購時都能更加簡便，優(yōu)化性能的同時還大大簡化了供應(yīng)鏈的管理。針對客戶反饋采購復(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)計溫度變送器、壓力變送器等產(chǎn)品時，在可靠性、品質(zhì)和成本上都極具優(yōu)勢。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，還可用在汽車檢測設(shè)備、電動摩托等應(yīng)用上。此外，ADI也規(guī)劃了面向未來需求的系列低功耗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)點的核心控制器件，是實現(xiàn)這一需求的關(guān)鍵因素，將加速推動各類創(chuàng)新型終端產(chǎn)品的涌現(xiàn)?！癆DI正持續(xù)加大對智能邊緣領(lǐng)域與數(shù)字化未來的技術(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爭優(yōu)勢，將隨著傳統(tǒng)應(yīng)用的升級以及新興應(yīng)用的帶動，不斷觸發(fā)其潛力角逐更大的市場！”李勇信心滿滿地展望未來市場機遇。
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)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(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，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。
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