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半導體事業(yè)部MCU 業(yè)務拓展經(jīng)理吳健鴻（Paul）向記者講述了很多有趣的關于“金剛狼”的故事。
圖1 TI半導體事業(yè)部MCU 業(yè)務拓展經(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？因為過去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)界的一個低功耗標準。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準。”
工藝、FRAM和DNA
TI花了1年多的時間去改進工藝，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,因此，MCU要達到低功耗,還需要考慮怎樣降低模擬外設的功耗。而超低漏電流工藝就可以實現(xiàn)模擬部分以及其他擴展的部分的低功耗。金剛狼的外設功耗最低達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在應用的時候，比如熱表應用，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)，因為熱表應用一般溫度超過了50~70℃，他們的產(chǎn)品在常溫的時候確實是低功耗，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。”
當然不能每次只改一下工藝，此次，TI獨具匠心地把鐵電（FRAM）技術應用到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，實現(xiàn)了最低的內(nèi)存功耗。”
除此之外，一直以來MSP430整個架構都是低功耗的，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的模式,以實現(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”平臺就應運而生了。
Paul強調(diào)：“低功耗并不能用一個數(shù)據(jù)去證明，而是要綜合待機功耗、外設功耗、內(nèi)存消耗和運行功耗。我們在與客戶溝通的時候發(fā)現(xiàn)，很多電池供電的應用一般在80%~90%的時間里都是在睡眠狀態(tài)（即待機模式），因此待機功耗十分重要，‘金剛狼’的待機功耗低至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”可以實現(xiàn)最低的待機功耗、外設功耗、內(nèi)存消耗和運行功耗。
其實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，在典型運動/健康應用和熱表應用中，“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的設計，就是為了滿足當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)確實是很難的。這就是為什么我們可以用FRAM這個技術。”
處理器一般的功能可以分為運算、控制（特別是實時控制）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、高效的特點就特別適合“微控制”應用。Paul說：“TI很多時候都會按照某一個應用去設計某一個產(chǎn)品，例如，在電表中其實需要作很多算法，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”就針對主要的應用在結構上進行了優(yōu)化，如原生位操作支持（能單獨修改1個bit）、正交尋址和實時中斷（反應速度快）。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