MCX L系列：超低功耗MCU是如何實現(xiàn)的？

在2024年MCX產(chǎn)品組合成功的基礎(chǔ)上，恩智浦發(fā)布MCX L系列超低功耗MCU。MCX L系列采用了許多與當前MCX產(chǎn)品組合相同的外設(shè)，其獨特之處在于創(chuàng)新的電源管理架構(gòu)，支持始終保持開啟的電池供電應用。

MCX L系列帶來更低功耗的未來

MCX L系列凝聚了幾十年來在低功耗設(shè)計方面的經(jīng)驗。我們將這些經(jīng)驗與先進的40nm超低功耗 (ULP) 半導體工藝相結(jié)合，創(chuàng)建了一種名為自適應動態(tài)電壓控制 (ADVC) 的新IP，用于MCX L系列。

ADVC子系統(tǒng)在能源受限的應用中表現(xiàn)出色，不論電源是電池、超級電容還是電力收集電路。

低功耗設(shè)計

MCX L搭載雙域架構(gòu)，在單個器件中合并了實時處理和超低功耗傳感功能。MCX L處理架構(gòu)由Arm Cortex-M33實時域和Arm Cortex-M0+ ULP始終在線感測域組成。

MCX L25x的結(jié)構(gòu)框圖。

實時域中的M33內(nèi)核運行頻率高達96MHz，電流消耗特性為24μA/MHz。

實時內(nèi)核使用SIMD DSP指令和浮點單元實現(xiàn)了Armv8-M Baseline ISA，可快速、高效地按需處理ULP域獲取的數(shù)據(jù)，以便通過有線/無線網(wǎng)絡(luò)傳輸或記錄到存儲機制。

M0+內(nèi)核旨在用于始終在線操作，使用始終在線域中的低功耗模擬和數(shù)字外設(shè)的組合來收集傳感器數(shù)據(jù)。例如，ULP傳感子系統(tǒng)在執(zhí)行100kbit/s I2C任務(wù)時，在2MHz下運行時僅消耗14μA。提供7種低功耗模式，在最深睡眠模式下可實現(xiàn)亞μA級功耗。例如，MCX L通過按鈕喚醒時，功耗為650μA；在自主喚醒時，功耗為700μA。

電源管理功能是MCX L系統(tǒng)設(shè)計不可或缺的一部分，ADVC IP實現(xiàn)了卓越的性能。

AVDC集成到系統(tǒng)電源管理架構(gòu)中

器件核心電壓 (對于40nm ULP工藝通常為0.9V) 由ADVC動態(tài)調(diào)諧。ADVC會調(diào)整系統(tǒng)工作點，以確保核心電源Vop盡可能接近內(nèi)部晶體管的閾值電壓Vt。功耗隨工作電壓的變化而變化，關(guān)系為?Vop2。

將工作點降低到盡可能小的值可確保最低的動態(tài)功耗。由于平方標度定律，工作電壓的微小變化會對功耗產(chǎn)生顯著影響。例如，將工作電壓從0.9V降低到0.65V，MCX L的功耗將減半。

ADVC根據(jù)工藝、溫度和老化等環(huán)境條件調(diào)整工作點。嵌入式開發(fā)人員只需具備很少的領(lǐng)域知識，即可利用這項技術(shù)，因為ADVC和電源管理模式是通過簡單的SDK API控制的。

適用于多種應用的低功耗外設(shè)

MCX L14和L25的外設(shè)分為實時域和ULP始終在線域。每個部件的每個外設(shè)組都是為了平衡不同應用需求的性能、集成和成本而設(shè)計的。

L25系列為工業(yè)流程控制和流量計量應用帶來了關(guān)鍵功能。它的SLCD可驅(qū)動低功耗LCD，結(jié)合低功耗I2C/UART和在ULP傳感域中運行的鍵盤外設(shè)，為開發(fā)人員提供了一個靈活的平臺，用于創(chuàng)建各種計量產(chǎn)品。低功耗模擬和定時器外設(shè)在底層傳感技術(shù)中的使用方式非常靈活。MCX L25使儀表能夠兼容所有常見的測量拓撲，如無源電感/電容、槳式、差壓和超聲波傳感器。

工業(yè)流量計量。

雙域MCX L架構(gòu)可實現(xiàn)高級計量應用/用戶界面與底層計量/數(shù)據(jù)采集之間的分離。設(shè)計人員在開發(fā)產(chǎn)品系列時將獲得極大的靈活性。

對于深度嵌入式工業(yè)和商業(yè)傳感應用，MCX L14可提供關(guān)鍵功能，可滿足成本、功耗、本地計算和封裝要求。L14在ADC、定時器和連接方面的功能基本相同，但不包括用于深度嵌入式傳感和控制應用的HMI功能。

MCX L14的工業(yè)應用包括智能溫度、氣體、壓力或接觸傳感器。標準UART接口簡化了使用MODBUS等工業(yè)協(xié)議進行設(shè)計的過程。對于住宅和建筑/基礎(chǔ)設(shè)施應用，L14可用于電池供電的空氣質(zhì)量、運動、火災/煙霧、照明或漏水傳感器。

基于EdgeLock安全機制的信息安全

MCX L集成了一系列硬件工具，構(gòu)建了強大的安全框架。恩智浦EdgeLock安全機制能夠滿足各種工業(yè)、建筑/基礎(chǔ)設(shè)施和住宅應用的安全需求。

MCX L ROM包含用于實現(xiàn)安全配置工作流程的工具，包括集成于ROM中的安全引導加載程序功能、用于加速加密和簽名檢查的加密加速器、真隨機數(shù)生成器、物理/邏輯TrustZone軟件隔離、基于一次性可編程 (OTP) 熔絲和內(nèi)置安全密鑰的設(shè)備生命周期管理。

這些安全功能和MCUXpresso安全工具可幫助開發(fā)人員滿足當前和未來的合規(guī)要求。網(wǎng)絡(luò)安全法規(guī)正在逐步實施，以確保物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備達到最低安全標準。歐盟的《網(wǎng)絡(luò)彈性法案》(CRA)將于2025年啟動，并在2027年全面實施，以獲取CE標志。美國的CTM (NIST 8425) 于2024年啟動，目前為自愿性要求，但未來可能會變?yōu)閺娭菩浴?/p>

MCUXpresso開發(fā)人員體驗

MCX產(chǎn)品組合的核心是MCUXpresso Developer Experience。MCUXpresso提供內(nèi)核軟件開發(fā)套件 (SDK)、集成開發(fā)環(huán)境 (IDE) 以及配置工具。MCX L的SDK包括低級外設(shè)驅(qū)動程序、配置實用工具和無線協(xié)議支持。

MCX L非常適合裸機應用，但同樣支持RTOS。FreeRTOS示例將在SDK中提供，并在未來支持Zephyr。

作為MCUXpresso Developer Experience的一部分，恩智浦提供低成本FRDM開發(fā)板。這些開發(fā)板包括一個板載編程器/調(diào)試器，通過Arduino和mikroBUS連接器實現(xiàn)快速原型制作，并通過擴展板中心提供附加板。

FRDM開發(fā)板

另一個與MCX L SDK和擴展板中心相配合的開發(fā)資源是應用代碼中心 (ACH)。ACH庫中有高級軟件示例、代碼片段和演示。這些示例與SDK配對，可以直接從恩智浦的MCUXpresso IDE或通過ACH Web界面進行訪問。

MCX L最初將提供兩種硬件設(shè)計設(shè)備包：

■ LQFP100 14x14x1.4mm，0.5mm間距

■ VFBGA184 9x9x1mm，0.5mm間距

長期供貨對于工業(yè)應用至關(guān)重要，MCX L系列將包含在恩智浦產(chǎn)品長期供貨計劃中。

總結(jié)與展望

MCX L14和L25是MCX產(chǎn)品組合的最新成員。MCX L專注于超低功耗、始終在線的應用，通過恩智浦專有的ADVC技術(shù)實現(xiàn)出色的功率特性。

新一代MCX L雙核架構(gòu)比以前的MCX器件功耗低3倍，可延長智能傳感器節(jié)點、流量計和其它由電池供電的工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的續(xù)航能力。

本文作者：Eli Hughes是恩智浦專業(yè)支持工程師，為客戶提供恩智浦微控制器和應用處理器系列硬件設(shè)計和固件方面的支持。除了支持工作，他還創(chuàng)作了一些技術(shù)內(nèi)容，展示了恩智浦產(chǎn)品在實際真實場景中的應用。他借鑒了自己在賓夕法尼亞州立大學應用研究實驗室的過往經(jīng)驗，在那里他參與了嵌入式系統(tǒng)、傳感器、機器人、水下航行器和空間科學等領(lǐng)域的研究和開發(fā)。他也曾在賓夕法尼亞州立大學的電氣工程系教授過微控制器、FPGA和電路理論等課程。在業(yè)余時間，Eli喜歡彈吉他和玩木工。