【導讀】無論是黑燈工廠里設備的有序運行，還是溫馨家居中電器的自動感知，抑或是數字醫療中的體征信號數據采集，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，隨著物聯網走入更廣泛的場景，例如可穿戴設備、遠程測控、無線傳感等諸多應用中，衍生出大量的低功耗類數據采集和控制需求，低功耗MCU成為微控制器品類中的一個重要細分市場。根據相關資訊預測，在全球微控制器市場份額中，低功耗微控制器約占15%～20％，2019年市場規模為44億美元，預計到2024年將增長到129億美元，年復合增長率（CAGR）高達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；為偏遠地區的鐵路山體塌方監測儀更換一次電池，維護成本可能超過設備本身；關鍵設施的地震監測如果在發生地震時因為電池沒電而不能正常監測……很多應用場景對產品方案提出越來越嚴格的功耗要求，低功耗MCU正隨著物聯網應用的普及迎來爆發增長期。”ADI公司資深業務經理李勇在最近的一次行業交流活動中指出。ADI從2010年開始加強低功耗MCU產品的設計研發，結合其傳統的高性能信號鏈技術和業界領先的電源管理技術，目前已經成功打造了多個系列的超低功耗MCU產品，適用于工業、消費電子、可穿戴醫療等廣泛領域。
低功耗“剛需”加速物聯網應用落地，獨特MCU設計打造省電“芯榜樣”
自上世紀60年代末70年代初，微控制器產品雛形出現，為至今50余年的消費電子、計算機通信、工業、汽車電子、物聯網電子設備創新持續賦能。在此過程中，MCU性能不斷進階，16位、32位乃至64位MCU持續迭代更新，各種應用品類層出不窮，越來越多的功能部件如存儲器、I/O端口、時鐘、A/D轉換，以及SPI、I2C、ISP等數據傳輸接口被整合。
ADI低功耗MCU產品賦能千行百業應用
“每一個嵌入式系統都需要至少一個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到最佳的平衡，功耗則成為這類應用最關鍵的制約因素。”李勇敏銳地指出隨著傳統應用升級及新興市場帶動，低功耗MCU正不斷觸發其增長潛力。作為微控制器的一個細分市場，低功耗MCU主要面向便攜式設備、電池供電、能量采集等需要低能耗工作的電子產品，通常采用了與常規微控制器不同的設計方法和工藝選擇，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備提供更持久的續航能力。例如連續血糖監測儀要求電池續航14天以上，智能儀表要求電池續航6年以上，地質災害監測則要求環境自供電永久續航等，都需要MCU以極低功耗完成數據采集、信號處理等過程。
事實上，低功耗MCU涉及的關鍵技術和設計挑戰非常多，從如何定義系統架構、構建平臺和MCU生態系統到數字電路設計，從工藝的選擇到模擬電路設計，從可靠性設計到低功耗設計，從應用創新到滿足客戶各種需求等，每方面都對設計公司提出很高要求。“盡管現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勢，擁有很強的市場競爭力。”李勇自信地表示。
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、醫療等多個領域已推出具有優異低功耗性能的一系列產品。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計創新思路，例如：活躍模式下MCU全速運行，不同的功能模塊可以進行獨立控制關斷或激活，從而實現節電效果；由于可穿戴設備大多數時間都處于休眠狀態，在睡眠模式下ADI低功耗MCU主核可關閉，但內置的智能DMA控制器仍能正常工作，保證了系統設計靈活性的同時，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斷用以喚醒設備外的很多外設模塊，使MCU漏電流盡可能小……
MAX32660上的DMA控制器的架構圖
“這主要得益于ADI全新系列低功耗MCU除了Cortex-M4核之外，通常還內置了一顆RISC-V核，負責藍牙通信與I/O口傳感器數據的傳輸監控等，由于RISC-V核通常功率較低，因此在睡眠模式下實現了既不影響設備的正常工作，又能保持低功耗水準。就像智能手表處于休眠狀態時，表盤可能不會呈現任何信息，因為Cortex-M4內核處于休眠狀態，但RISC-V核仍然在進行傳感器數據采集。”李勇補充說。
除了內核的低功耗設計非常關鍵之外，存儲器的頻繁數據存取產生的功耗也至關重要。在可穿戴設備中MCU通常需要頻繁地對SRAM進行數據存取，在睡眠模式下也不能關斷，而ADI低功耗MCU可以實現分塊關斷從而可以進一步實現功耗的優化，例如僅預留16k、32k或64k SRAM空間來存放數據，即便是預留160k存儲空間工作電流也僅有2μA，這在MCU設計中也是比較關鍵的參數，用戶可以在功耗設計時做好平衡。
不止于低功耗，多個MCU關鍵性能升級錦上添花
ADI低功耗MCU除了在低功耗上的表現突出之外，高性能、安全可靠同樣是其重要標簽。由于通常比競爭對手采用了主頻更高的Cortex-M4內核（主頻100MHz左右），同時內置大容量存儲器，ADI低功耗MCU可以支持復雜的應用，以及完成一些復雜的算法，甚至一些小型操作系統。
另一方面，隨著人們對嵌入式領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，越來越多的設備應用要求對數據信息進行保護。ADI低功耗MCU內部集成了安全算法，可以利用安全引導與加密算法的方式來保護客戶的代碼或數據信息，甚至通信數據也可以進行加密防止黑客獲取。
除此之外，物聯網應用不僅對功耗敏感，同時對設備尺寸、成本也很敏感，ADI低功耗MCU通過集成了多功能來實現更緊湊的產品方案和整體更低的BOM成本。李勇強調道：“我們的方案針對不同的應用集成了不同的外設，例如藍牙、電源管理以及模擬前端，所以，客戶在做一些自己的應用的時候，甚至可以用單獨一片芯片就能夠完成它的設計，從而實現比較低的BOM成本，同時實現低功耗和小尺寸。”據李勇透露，即將推出的MAX32690將應用處理內核Cortex-M4和藍牙專用核RISC-V集成在同一芯片上，并且藍牙專用核還帶自己的存儲區，使得應用程序和藍牙代碼可以完全獨立的運行，實現了高效率和低功耗的完美組合。
布局多元化MCU產品線，積極應對未來市場需求
不同應用場景，對MCU在功能、性能和功耗的需求可能會有很大差異，因此針對不同應用場景，市面上的廠商也都進行著精細化設計。“依托在模擬與信號鏈設計方面的研發制造經驗，ADI目前已布局了豐富的產品線系列。”李勇進一步介紹道，“90nm工藝的通用型低功耗產品MAX32630/32620/32625，針對可穿戴設備、物聯網終端多市場應用的MAX32650/32665/32670，針對工業市場應用優化的MAX32672/32680/32675等，都是性能非常優秀、功耗水平非常低的MCU產品。”ADI低功耗MCU針對客戶的不同應用還提供了BGA、TQFP、TQFN、WLD等多種封裝供選擇，例如可穿戴產品追求小尺寸，而工業類應用則更青睞高性能與可靠性封裝等。
ADI豐富的低功耗MCU產品系列
目前，許多可穿戴設備都要求具備數據存儲的功能，不僅是智能手環存儲用戶的睡眠數據、計步數據等初級應用，便攜式醫療設備也要求在軟件支持下感知、記錄身體健康數據以分析、調控、干預甚至治療疾病或維護健康狀態，例如胸貼便要存儲大量的心電測量數據。“MAX32650強大的板載存儲器能力極具吸引力，包括高達3MB閃存與1MB SRAM，器件通過高效操作可管理更多數據、支持醫療可穿戴應用，而不會耗盡代碼空間，目前在同行業市場上也很難找到這樣大存儲空間的低功耗MCU產品。”李勇舉例道。
作為全球高性能半導體技術的領先提供商，ADI低功耗MCU通常結合了其傳統優勢技術，例如模擬前端集成了ADC/DAC、藍牙通信模塊、比較器、放大器、濾波器等，使客戶在產品開發和采購時都能更加簡便，優化性能的同時還大大簡化了供應鏈的管理。針對客戶反饋采購復雜或比較昂貴的模擬功能模塊，例如HART調制解調器，ADI已將其集成到了工業MCU系列產品中，當用戶用其設計溫度變送器、壓力變送器等產品時，在可靠性、品質和成本上都極具優勢。即將發布的MAX32690和MAX32662還集成了CAN BUS，使得它們不僅可用于醫療可穿戴設備，還可用在汽車檢測設備、電動摩托等應用上。此外，ADI也規劃了面向未來需求的系列低功耗MCU產品，例如工業以太網逐漸成為工業互聯網的關鍵技術和智能制造自動化基石，ADI正在研發將以太網控制模塊集成于低功耗MCU中，以輕松解決設備連接難題。
越來越多的物聯網邊緣設備雖然體積小，但必須支持一系列復雜的傳感、通信和處理任務，低功耗MCU作為終端節點的核心控制器件，是實現這一需求的關鍵因素，將加速推動各類創新型終端產品的涌現。“ADI正持續加大對智能邊緣領域與數字化未來的技術投資，低功耗MCU作為ADI三大微控制器產品線之一，具有低功耗、高性能、高集成度與安全性等諸多競爭優勢，將隨著傳統應用的升級以及新興應用的帶動，不斷觸發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。
關于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。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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