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半導體事業部MCU 業務拓展經理吳健鴻（Paul）向記者講述了很多有趣的關于“金剛狼”的故事。
圖1 TI半導體事業部MCU 業務拓展經理吳健鴻（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，MSP430一直以來都是業界的一個低功耗標準。我們發現有很多競爭對手都已經開始改善其低功耗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，客戶做測試時發現，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。后來才發現，因為熱表應用一般溫度超過了50~70℃，他們的產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存儲數據，當需要對片上Flash 擦寫時，MCU內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，才能執行Flash擦寫操作，因此，MCU在寫Flash的時候是特別耗電的。FRAM在執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。基于FRAM的上述兩個優勢，MCU在寫FRAM時的功耗是MCU寫Flash時功耗的1/250，實現了最低的內存功耗。”
除此之外，一直以來MSP430整個架構都是低功耗的，已經有了低功耗的DNA。MSP430可以提供7種不同低功耗模式，客戶可以根據不同的需求選擇相應的模式,以實現系統最低功耗。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：“低功耗并不能用一個數據去證明，而是要綜合待機功耗、外設功耗、內存消耗和運行功耗。我們在與客戶溝通的時候發現，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（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”可以實現最低的待機功耗、外設功耗、內存消耗和運行功耗。
其實要找一個對自己有利的數據是比較容易的，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
記者發現，在寫數據比較多的應用中，數據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，他們找到了TI。到目前為止，所有Ramtron的產品都是在TI生產的，而FRAM的生產確實是很難的。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獲取的一大堆數據，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，并且將更加精彩，敬請期待！
圖3 新的“金剛狼”平臺開發板