改善產品效能與功耗的新一代微控制器方案
- DIGITIMES企劃
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具備超低功耗的新一代微控制器(MCU)，整合了DC-DC直流變壓線路、多樣化時脈振盪器具備自主控制的週邊資料傳輸管理電路，以及從工作模式？睡眠模式到兩種模式切換之間的全域低功耗的設計思維；提供業界完整的整合開發環境、程式應用範例與功耗量測工具軟體，協助業界開發超低功耗的裝置，可以僅憑鋰電池的供電也能夠持續長時間的穩定運作，可進一步做為無線聯網裝置的IoT物聯網、智能電錶、瓦斯錶、溫度計、安全環境監控、居家與建築物自動化等應用…
芯科實驗室(Silicon Labs)亞太區MCU資深行銷經理彭志昌介紹，由芯科實驗室(Silicon Labs)研發的SiM3L1xx系列Precision32低功耗微控制器，是目前市面上創下最低功耗的32位元微控制器。SiM3L1xx系列微控制器，採用達50MHz時脈的ARM Cortex M3微核心，內建DC-DC直流變壓線路，能大幅度的降低功耗，重新設計的LCD控制？驅動電路把顯示電流量壓低；具備自主感測感器介面，感測器運作時無須CPU時時全速執行與監控，即便進入睡眠模式下也能完整保持RAM資料與執行狀態；其以5.5mm x 5.5mm封裝尺寸，提供32~256KB Flash快閃記憶體容量。具備可自主運作的低功耗多元週邊，每一個週邊即便在MCU進入睡眠模式下仍可持續運作，並搭配可配置多樣化的喚醒訊號源設計，設計出整體功耗最低的應用；同時提供能耗提示與評估軟體協助產品開發商，進一步開發更低功耗的應用韌體。
彭志昌指出要設計超低功耗的產品，必須關注下列應用範疇：1.關切工作模式下的功耗(active power)。2.關切睡眠模式下的功耗(sleep power)。3.在這兩種模式切換所佔用的週期以及模式切換之間的最佳化。而SiM3L1xx系列設計上均有考慮到這些狀況。他進一步點出SiM3L1xx系列微控制器創下業界最低功耗的設計精髓。在降低工作模式功耗上，以往外接DC-DC變壓晶片工作電壓是3.2~3.6V，要供應晶片與週邊1.6~1.8V難免會有電壓？電流的損耗；晶片內建DC-DC變壓器，能源效率達到85%以上，可以直接輸出1.6~1.8V到各週邊裝置降低損耗。其次使用Data Transfer Manager使週邊裝置自主聯繫，降低CPU的負載。接著將MCU靜態與動態電壓從1.8V@50MHz降到0.8V@1MHz，重新設計的LCD控制電路，功耗從原先20μA降到16μA，必要時再降低DPI到僅10μA。
從工作模式、睡眠模式到切換速度的全面節能進化
在睡眠模式部份，在無須對RTC供電情況下僅50奈安(nano Ampere；nA)，加入RTC供電也小於200nA；從睡眠模式甦醒切換到工作模式僅需4μs，工作模式下的功耗也僅需175μA/MHz，設計至少9組，最多14組週邊喚醒訊號源輸入，從每個階段細節都考量到減少切換時間、降低功耗，以累積整體系統功耗的降低，平均不到1μA，可以使外接鋰電池供應壽命長達20年之久。像某個客戶設計智慧水表，就希望至少20年內不會去更動或替換，因此超低功耗變成他們唯一的考量。
他列舉一個DC-DC的應用例子。同樣接3.6V鋰電池，對傳統1.8V MCU與RF收發器的電路，鋰電池要對MCU、RF收發器各別輸出11mA@3.6V、12mA@3.6V的電流，經過LDO降壓元件使用，總功耗為23mA@3.6V；同樣的設計用到SiM3L1xx系列，僅需將鋰電池以13.5mA@3.6V電流輸出到SiM3L1xx的DC-DC，再經由其DC-DC轉輸出12mA@1.8V電流給RF收發器，整體功耗降低40%且延長鋰電池65%的供電時間。
SiM3L1xx可以使週邊操作時不需MCU介入，此時MCU進入睡眠模式並形成節能最佳化的狀態。以無線通訊所需要接受？發送的通訊資料封包而言，過去從Raw Data經過AES編碼、CRC檢核編碼、硬體編碼器到透過SPI送到無線收發模組這一段作業，全部都藉由MCU以軟體執行的形式編碼運算、完成，耗費過多的MCU執行資源，連帶造成功耗的提昇；Data Transfer Manager則是將Raw Data經過AES編碼、CRC檢核編碼、硬體編碼器到透過SPI送到無線收發模組這一段作業，直接經過DTM與DMA的硬體加速線路直接處理，降低CPU工作負擔與降低30%~40%的功耗，進一步延展電池供電時間。
SiM3L1xx的內部鎖相迴路(Phase Locked Loop)設計上，運用RTC 32.768Khz、16.4Khz、20MHz等不同時脈產生器，以2.5MHz為增幅做微調，接外接振盪器的情況下，系統工作時脈可達到50MHz。此外，MCU內部許多功能單元電路，都有獨立的偵測與電源啟閉功能，當哪一個功能模塊未被使用時會自動關閉，進而降低整體MCU的功耗。
SiM3L1xx微處理器，內建一組即便是進入睡眠模式下，仍可獨立運作的串列介面(UART)週邊裝置。其在睡眠模式下，UART會直接取用32.768KHz RTC時脈訊號做為時脈訊號來源，其規格上支援到1200/2400/4800/9600baud傳輸速度，此時UART的作業功耗僅167nA。非常適合做為遙控器的設計應用。
SiM3L1xx的功耗調校與市場應用
彭志昌指出，Silicon Labs所設計的SiM3L1xx微控制器，可以應用在物聯網(Internet of Things；IoT)應用的相關無線聯網裝置，智能水錶？電錶？瓦斯錶與溫度計，門禁與能源監控，以及居家與建築自動化。像是憑藉其超低功耗，設計可以使用長達20年的智慧電錶？水錶？瓦斯錶，運用其內建的低功耗LCD驅動電路與無線收發器，所設計的健身器材、遙控器、手持裝置，以及具備無線聯網能力的攝影？監控裝置。
Silicon Labs在開發工具套件中，有一個Power Estimator工具程式，它能提供透過MCU API函式庫取，去讀取SiM3L1xx微控制器內部ADC、ADE、HPI的參數、變換速度，以動態折線圖方式呈現整體系統的功耗風貌，這樣有助於產品開發商進一步調校、開發撰寫出更低功耗的應用韌體。
彭志昌列出SiM3L1xx系列，跟其他是TI MSP430F6673X、Energy Micro EFM32G880、ST STM32L151xC、Freescale K30P100M72SF1等強調低功耗的競爭對手產品相比，在3V工作電壓、睡眠模式僅RTC供電下的功耗僅200nA，睡眠模式下LCD開啟時進950nA(小於1μA)，全速運作下功耗為175μA/MHz，均優於其他競爭對手的表現。
目前SiM3L1xx MCU家族時程藍圖上，分為：1.QFN40(6x6)封裝，無LCD輸出。2.QFN64 (9x9)與TQFP64 (10x10)封裝，提供4x32 LCD螢幕輸出。以及3.BGA80 (5.5x5.5)與TQFP80 (12x12)封裝，提供4x40 LCD螢幕輸出的三大產品線系列。QFN40部份有32KB Flash/8KB RAM設計的SiM3L134、64KB Flash/8KB RAM設計的SiM3L144與128KB Flash/16KB RAM設計的SiM3L154。
QFN64與TQFP64封裝的有32KB Flash/8KB RAM設計的SiM3L136、64KB Flash/8KB RAM設計的SiM3L146、128KB Flash/16KB RAM設計的SiM3L156；BGA80 (5.5x5.5)與TQFP80 (12x12)封裝的有128KB Flash/16KB RAM設計的SiM3L167、256KB Flash/32KB RAM設計的SiM3L167、512kB Flash/64KB RAM設計的SiM3L177與1MB Flash/128KB RAM設計的SiM3L187等MCU產品。SiM3L1xx MCU以10K為基本採買單位的產品單價僅2.55美元。
在開發工具部份，SiliconLabs提供一個免費的Precision32─以Eclipse為based的開發套件，包含整合開發環境(IDE)、編譯器(Compiler)與除錯器(Debugger)；其AppBuilder GUI配置工具套件，加入了Power Tips與Power Estimator 功耗提示、動態功耗評估器等軟體，協助系統開發業者進行功耗調校。
硬體工程評估板則分有LCD螢幕的SiM3LXXXLCD-B-DK，與無LCD螢幕的SiM3L1XX-B-DK版本，包含連接線、除錯ICE裝置等，以及提供完整的程式範例、函式庫，以及SiM3L1xx MCU的產品規格表、參考手冊、技術文件、使用指南，以及AN666、AN725等應用說明文件，整套開發套件僅需99美元。彭志昌播放一段以一個有LCD螢幕的開發評估板，做動態電流量測的示範影片。影片中評估板裝置進入PM8的睡眠節電模式時，當ADC、RAM關掉時，此時系統整體功耗量測出來僅190nA左右。
彭志昌最後總結指出，SiM3L1xx MCUs提供了智能裝置的設計業者，以合理價格取得具備豐富的MCU功能、超高執行效能的超低功耗解決方案。它包含業界同類產品最佳的特點，像是嶄新的LCD控制器？驅動電路與感測器介面，以內建DC-DC變壓線路與最佳化週邊下工作模式僅50奈安(nanoAmp)，挾50MHz ARM Cortex M3核心得高效能，同類產品最佳的類比週邊能力，以及僅5.5mm x 5.5mm超小尺寸，可說是目前超低功耗應用的最適合方案，符合業界對於頂級效能、類比週邊、超小尺寸、最低功耗與低成本的全面性需求。歡迎業者蒞臨芯科實驗室網站(www.silabs.com/32bit-MCU)，下載相關產品規格、技術文件，設計應用範例，相關電路與BOM表參考檔案。
