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以獨特產(chǎn)品設(shè)計競逐微控制器賽道,ADI低功耗MCU加速物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用落地

發(fā)布時間:2023-01-11 來源:ADI 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】無論是黑燈工廠里設(shè)備的有序運(yùn)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(qiáng)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(fèi)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(fèi)電子、計算機(jī)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。


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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(qiáng)的市場競爭力?!崩钣伦孕诺乇硎尽?/p>


ADI非常重視低功耗MCU這一重要市場,目前針對汽車、消費(fèi)、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(kuò)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(yùn)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……


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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?!崩钣卵a(bǔ)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(qiáng)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(yùn)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。”ADI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。


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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)?!癕AX32650強(qiáng)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(jī)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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