国产 MCU 如何做到超低功耗、性能爆表?

标签:国产MCU
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芯片短缺自2020年底开始从汽车领域爆发以来,不断蔓延到了全球涉及半导体的各行各业,到了2022年,新能源电动车方面的缺芯依然严重,而且似乎愈演愈烈。笔者曾在汽车、无人机等领域有过多年软硬件经验,也曾经历过那种拿货被人“卡脖子”的局面,对这种漫天涨价还缺货的状况深有感触。然而对于工程师来说,更关注的是其性能和功耗等产品相关特性。最近笔者了解到有这么一颗 “高性价比”MCU——N32G430(下文简称G430),下面我们详细介绍它。

G430是国民技术公司基于Arm Cortex-M4F开发的32位MCU,40nm工艺,12吋大尺寸wafer生产,已经量产销售,笔者Challey与厂家沟通了解,官方承诺10年+供货保障。至于采购朋友关注的交期,文中会有说明。

本文首先对G430的性能进行剖析,然后从工艺与封装方面简要分析其采购供应,最后介绍工程师们最喜欢的应用方案,包括目前能效相关的电机控制、储能领域的BMS、智能穿戴领域的TWS充电仓管理、医疗健康领域的血氧应用、以及激光雷达等等。

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一、G430性能特点

这是G430的结构示意图。

 

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它的主要性能特点有:高性能、高可靠、低功耗、安全。这里的几个描述词不是泛泛的说法,而是有其具体的含义。高性能指的是在不同频率下G430发挥出来的高性能;低功耗不仅指停机模式功耗低,而且待机模式功耗和动态运行功耗也很低;安全性不仅体现在单一的软件或者硬件方面,而是指软硬件两者融为一体的安全性。

不同频率下G430 的CoreMark跑分

 

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不同频率下的CoreMark得分▲

按目前流行的说法,高性能指CPU的算力。选取业内同价位的厂商产品(最高主频分别是 48MHz、68MHz、72MHz,G430最高主频可达到128MHz)。分别在24MHz,48MHz、64MHz、72MHz四个频点附近做CoreMark跑分比较,同频相比,除了24MHz性能提升没有那么大,在48MHz、68MHz、72MHz三个频点性能提升达到50%以上。值得关注的是G430在128MHz主频下其CoreMark得分达到了420分,是其他对比厂商CPU算力(性能)的3倍。

更低的停机模式功耗

尽管科技越来越发达,各类电子产品性能越来越强,芯片工艺制程做得越来越先进,但是,人类对于低功耗的追求却从未停步。

消费领域的手机自不必说,在我们常见的可穿戴设备领域的TWS耳机和血氧监测模块对功耗值要求越来越低;在新能源储能BMS、汽车激光雷达等大部件上面对功耗也一样需要严格控制。下面是几个产品横向测试得到的功耗比较。

 

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在同类同价位的产品中,停机模式(STOP模式)功耗最高是170μA,G430为8μA,停机模式功耗行业最低。实际上,G430还有更加优秀的待机模式(STANDBY模式)功耗,仅有3μA。

硬件级安全性

现在,个人消费电子领域越来越注重隐私保护,工业领域越来越注重安全,这两者其实都可以统一说需要一个安全的硬件。但是,对于安全来说,不仅仅有软件安全还有硬件安全,单纯的软安全或硬安全都不足以抵御现在的攻击。而国民技术的安全技术有一个特点是:很好的融合了软件和硬件安全技术。

G430硬件级安全特性体现在:

  • Flash存储加密,可靠保护存储数据安全;
  • 多用户分区管理,可靠保护第三方知识产权,第三方可以放心地将核心算法放入保护分区;
  • 支持写保护(WRP),多种读保护(RDP)(L0/L1/L2);
  • 支持加密下载,保护下载过程的安全性

国民技术MCU的flash都采用密文存储,即使被破解,也不能在第二颗芯片上进行复制并运行,因为每颗芯片采用不同密钥完成加解密操作。flash还可以在几个区域之间都能实现安全隔离:这些区域之间不能相互读取数据,也不能改写,可以很方便地用于分区独立应用的开发。比如工程师开发一个算法,用于某个行业,但这个行业有很多客户,每个客户的需求不一样,使用国民技术MCU提供的安全分区技术,只需将核心知识产权通过分区的方式写入。芯片卖给终端客户后,客户可以基于该加密后的芯片和库做二次开发,SWD接口也无须关掉,依然可使用在线debug功能,不用担心存储在其它保护分区的代码被读取。

同时,G430还支持加密下载,现在各个行业的分工比较细,很多行业的程序下载交给第三方来做,国民技术的解决方案提供了一个工具,可以用这个工具把明文转成密文,通过这个工具把密文下载到芯片,通过芯片内置的bootloader将密文翻译成明文写入,flash控制器在存储时依然采用密文存储,这样可以防止在第三方下载过程中的信息泄露。

国民技术是国内最早做安全芯片的企业之一,把安全架构融入到了每一颗精心打造的MCU产品之中,用户几乎是零成本实现安全功能,最新推出的G430也是如此。

其他特点

其他还有譬如工业级高可靠性、灵活实用、高速ADC等特点。

工业级高可靠性方面体现在:

  • 所有IO支持5V Tolerance,保护IO免受5V电压冲击,避免损伤;
  • 所有IO支持滤波功能,提高IO抗干扰能力;
  • ESD:±4KV(HBM模型),±2KV(CDM模型)。

灵活实用主要体现在如下几点:

  • 灵活的外部中断支持(EXTI),任意IO可配置为任意EXTI Line触发的外部中断;
  • 强大的时间戳触发功能,任意IO都可配置为时间戳触发输入;
  • 独立看门狗(IWDG)支持冻结功能(软件可配置),无需再担心进入低功耗模式后的喂狗问题。

高性能ADC主要指:

  • 支持12bit、10bit、8bit、6bit精度,可以适应不同采样精度的应用需要;
  • 提供高性能采样速率,可以满足用户快精准的采样要求,其中单次采样模式下:12bit最高采样速率4.7Msps,10bit最高采样速率5.33Msps,8bit最高采样速率,6.15Msps,6bit最高采样速率7.26Msps;连续采样模式下:12bit最高采样速率4.7Msps,10bit最高采样速率6.66Msps,8bit最高采样速率8Msps,6bit最高采样速率10Msps;
  • 最多达16个外部采样通道,支持单端模式和差分模式采样,支持定时器多个CC事件触发ADC(CC4/7/8/9),满足电机控制灵活控制需要等等。

二、工艺封装与供应链及采购周期

文章开头说到,G430基于40nm工艺,12吋大尺寸wafer生产,封测目前也在国内一流的厂商,产能更有保障。在封装方面,G430提供16个子型号7种封装形式,最小3mmx3mm。

 

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国民技术于2000年成立,2010年上市,是国内半导体SoC领域创业板上市的第一股。最早与全球一流圆片和封测厂商建立了稳固的长期战略合作伙伴关系,并携手合作伙伴打造可靠、敏捷的供应链,同时积极与产业链上下游合作伙伴沟通,动态调整备货计划,确保稳定持续供应。所以官方承诺10年+供货保障确实是有足够底气。

采购周期

至于采购工程师们最关心的交期,笔者Challey了解到,目前G430已获得非常好的圆片和封测厂商战略合作关系,备货充足,所以交期能够满足客户产品需求。

三、应用方案

对于IC应用工程师们来说,一款芯片的应用及其特色是最需要迫切了解的。下面是G430在电机控制、TWS充电仓、BMS、血氧监测、激光雷达等典型应用方面的优势点分析。

电机控制硬件性能优势

 

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同类MCU产品中,具有超高的主频性能,集成模拟和高速ADC器件,扩展CAN口,有效提升电机控制的整体性能和应用扩展能力:

1.N32G430具有128MHz Arm Cortex M4F内核带浮点单元高性能处理能力,可显著提升电机控制算法处理能力,大幅提升FOC载频至50KHz以上。

2.12bit最高采样速率高达4.7Msps的高精度ADC,可用于快速采样定位电机角度及各类参数。

3.接口丰富,3个COMP支持过流过压快速响应,多个UART方便联动控制。

4.CAN接口可扩展到两轮车、汽车电动尾门/座椅/车窗等电机应用。 

集合上述硬件性能优势,N32G430成为同资源MCU支撑电控算法能力最强产品。

TWS充电仓管理

 

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在有限空间及布板情况下,实现低功耗以及多个外设快速操控,高性能内核有效提升用户体验:

1.芯片的低功耗特性(90μA/MHz RUN模式,<2μA @ STANDBY模式)可延长待机时间。

2.芯片的多种高性能接口中,12bit ADC(>10.5bit ENOB)实现精准测温,支持单线通信的UART用于耳机连接,多个I2C接口用于AFE和传感器控制。

3.具有小尺寸优势,可提供3mmx3mm的UQFN20小尺寸封装。

BMS

 

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芯片具备低功耗、多通道信号采样、多接口扩展应用场景能力:

1.N32G430具有低功耗特性(~2mA@16MHz RUN模式,<2μA @ STANDBY模式)。

2.多达16通道的高性能12bit ADC可快速精准检测电池包温度/电压/电流,支持差分电压采样,满足单MCU BMS应用。

3.丰富的接口包括4个UART、2个I2C、1个CAN等,适用于多种BMS产品接口需求。

血氧监测

 

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高性能内核与高性能内置ADC促进测量更准确,反应速度更快:

1.具有M4F内核高性能和低功耗特性

(~10mA@128MHz RUN模式,<2μA @ STANDBY模式)。

2.提供12bit高性能ADC(>10.5bit ENOB),PWM 16bit 128MHz精细控制红外二极管发射功率。

3.SPI接口达到18MHz,刷新OLED更流畅。

4.支持定时器输入捕获功能,以更方便获取传感器输出信号,检测血氧浓度。

激光雷达

 

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同类产品中,唯一高达6Msps采样性能的MCU产品。

N32G430用于激光雷达,具有除了Cortex M4F内核高性能和低功耗特性(~10mA@128MHz RUN模式,<2μA @ STANDBY模式)等优势,其高性能ADC 10bit模式下超过6Msps的采样率,可支持2K分辨率。

其他应用

其他的典型应用还有:两轮电动车、电动工具、平衡车、视频接收卡、CAN BOX、家电控制板等等。更多方案可以关注我们或者联系作者(微信同名)获取。

小结

科技方面,要论目前最热的领域,工业方面非新能源电动车莫属,消费领域则是可穿戴等下一代设备(手机除外),此外,日益严峻的信息安全问题,不论是在消费领域还是工业领域都受到了各界的高度关注。

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