今年在低功耗微控制器（MCU）市場上,，基于Cortex-M0+的MCU賺足了噱頭，而作為20年來一直走在低功耗MCU最前列的德州儀器（TI）當(dāng)然會不甘示弱,，今年3月,，TI重磅推出了超低功耗MSP430 MCU平臺“金剛狼”（Wolverine）。雖然才短短的半年時間,，但是已有很多早期客戶在使用“金剛狼”系列,，并取得了很好的反響。近日,，TI半導(dǎo)體事業(yè)部MCU 業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理吳健鴻（Paul）向記者講述了很多有趣的關(guān)于“金剛狼”的故事,。
圖1 TI半導(dǎo)體事業(yè)部MCU 業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理吳健鴻（Paul）
Paul說：“TI為什么要花超過3~4年的時間去做一個平臺呢？因?yàn)檫^去20年來,，TI的MSP430一直都是全球最低功耗的MCU,，很多廠商如果希望做一個低功耗的MCU，一定會與MSP430作比較,，可以說,，MSP430一直以來都是業(yè)界的一個低功耗標(biāo)準(zhǔn)。我們發(fā)現(xiàn)有很多競爭對手都已經(jīng)開始改善其低功耗MCU,，因此我們覺得是時候多花點(diǎn)時間將MSP430作更深層次的優(yōu)化,。我們做這個平臺的初衷很簡單，就是把低功耗的門檻再提高,。就是說,，如果要做低功耗MCU的話，我們還是最低功耗的一個標(biāo)準(zhǔn),。”
工藝,、FRAM和DNA
TI花了1年多的時間去改進(jìn)工藝,，最終采用了一種比較特別的超低漏電流工藝，它能在全溫度范圍內(nèi)保持低功耗,。為了提高集成度，90%的MCU會集成ADC等模擬外設(shè),因此,，MCU要達(dá)到低功耗,還需要考慮怎樣降低模擬外設(shè)的功耗,。而超低漏電流工藝就可以實(shí)現(xiàn)模擬部分以及其他擴(kuò)展的部分的低功耗。金剛狼的外設(shè)功耗最低達(dá)75 μA（采用12 bit ADC）,，可以說是業(yè)界最低,。
全溫度范圍有這樣一個故事，Paul說：“有的低功耗MCU在應(yīng)用的時候,，比如熱表應(yīng)用,，客戶做測試時發(fā)現(xiàn)，為什么不是宣傳的低功耗了,？這些MCU廠商就會覺得很奇怪,，明明是低功耗，怎么不行了,。后來才發(fā)現(xiàn),，因?yàn)闊岜響?yīng)用一般溫度超過了50~70℃，他們的產(chǎn)品在常溫的時候確實(shí)是低功耗,，但是一旦溫度提高了,，它的低功耗特性就沒有了。而‘金剛狼’能在全溫度范圍維持低功耗,。”
當(dāng)然不能每次只改一下工藝,，此次，TI獨(dú)具匠心地把鐵電（FRAM）技術(shù)應(yīng)用到MSP430中,，它所帶來的好處是令人驚訝的,。Paul解釋到：“一般的MCU通常用Flash（閃存）存儲代碼，用EEPROM存儲數(shù)據(jù),，當(dāng)需要對片上Flash 擦寫時,，MCU內(nèi)部需要專門的升壓電路將電源電壓(通常為3.3 V)升至15 V，才能執(zhí)行Flash擦寫操作,，因此,，MCU在寫Flash的時候是特別耗電的。FRAM在執(zhí)行擦寫時不需要升壓到15 V,，可以直接寫,，而且FRAM寫入速度比一般的Flash快了近1 000倍?；贔RAM的上述兩個優(yōu)勢,，MCU在寫FRAM時的功耗是MCU寫Flash時功耗的1/250,，實(shí)現(xiàn)了最低的內(nèi)存功耗。”
除此之外,，一直以來MSP430整個架構(gòu)都是低功耗的,，已經(jīng)有了低功耗的DNA。MSP430可以提供7種不同低功耗模式,，客戶可以根據(jù)不同的需求選擇相應(yīng)的模式,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最低功耗,。因此，把工藝,、FRAM和DNA這三者加起,，TI的“金剛狼”平臺就應(yīng)運(yùn)而生了。
Paul強(qiáng)調(diào)：“低功耗并不能用一個數(shù)據(jù)去證明,，而是要綜合待機(jī)功耗,、外設(shè)功耗、內(nèi)存消耗和運(yùn)行功耗,。我們在與客戶溝通的時候發(fā)現(xiàn),，很多電池供電的應(yīng)用一般在80%~90%的時間里都是在睡眠狀態(tài)（即待機(jī)模式），因此待機(jī)功耗十分重要,，‘金剛狼’的待機(jī)功耗低至360 nA,。此外，其睡眠喚醒時間很短,，這也有助于降低功耗,。在電池供電應(yīng)用中，判定,、簡單的計算以及控制處理都是必要的,，‘金剛狼’的運(yùn)行功耗（包括內(nèi)存訪問功耗）也是非常低的，大概為100 μA/MHz,。”綜合來看,，“金剛狼”可以實(shí)現(xiàn)最低的待機(jī)功耗、外設(shè)功耗,、內(nèi)存消耗和運(yùn)行功耗,。
其實(shí)要找一個對自己有利的數(shù)據(jù)是比較容易的，但是在低功耗應(yīng)用中,，真正最重要的是看電池可以用多長時間,。通過圖2可以看出，在典型運(yùn)動/健康應(yīng)用和熱表應(yīng)用中,，“金剛狼”的各種功耗都占優(yōu)勢,。說起熱表，還有一個小故事,，Paul說：“20年前,，TI之所以做MSP430的設(shè)計,，就是為了滿足當(dāng)時某一個熱表客戶的要求，這樣就有了低功耗的戰(zhàn)略,，做出來以后真的是最低功耗,。20年后，TI ‘金剛狼’第一個客戶也恰好是熱表廠商,。”
圖2 “金剛狼”功耗與競爭對手的比較
記者發(fā)現(xiàn),，在寫數(shù)據(jù)比較多的應(yīng)用中，數(shù)據(jù)寫入的功耗占的比例是最多的,，那么如果競爭對手也把Flash換成FRAM，是不是就可以了呢,？Paul講述了這樣一個故事來釋疑：“如果其他公司要用FRAM就需要向我們購買,。TI將FRAM集成在MCU上是走在全球前列的。大概十幾年前,，Ramtron開始研發(fā)FRAM,，但是它沒有自己的工廠，一定要找一個合作伙伴幫他們做研發(fā),，他們找到了TI,。到目前為止，所有Ramtron的產(chǎn)品都是在TI生產(chǎn)的,，而FRAM的生產(chǎn)確實(shí)是很難的,。這就是為什么我們可以用FRAM這個技術(shù)。”
處理器一般的功能可以分為運(yùn)算,、控制（特別是實(shí)時控制）還有微控制,，針對這些功能TI有不同的產(chǎn)品。而“金剛狼”簡單,、高效的特點(diǎn)就特別適合“微控制”應(yīng)用,。Paul說：“TI很多時候都會按照某一個應(yīng)用去設(shè)計某一個產(chǎn)品，例如,，在電表中其實(shí)需要作很多算法,，特別是計算ADC獲取的一大堆數(shù)據(jù)，為此,，我們就會加一些加速器,。” “金剛狼”就針對主要的應(yīng)用在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化，如原生位操作支持（能單獨(dú)修改1個bit）,、正交尋址和實(shí)時中斷（反應(yīng)速度快）,。它還集成了硬件加速器，里面有乘法器,、加密單元（無線通信時可以用到）,、CRC以及隨機(jī)數(shù)生成,。“金剛狼”還有靈活的電源管理模塊和快速喚醒用時鐘，并集成了UART,、I2C,、SPI、PWM和定時器,。
此次的“金剛狼”故事就到這里,，而低功耗MCU的故事將不斷地延續(xù)，并且將更加精彩,，敬請期待,！
圖3 新的“金剛狼”平臺開發(fā)板