应用全球最节能的 ARM Cortex MCU 实现超低功耗设计 ( 最低待机功耗 900nA) 郑武强 / 韩小勇 技术中心
Silicon Labs 让它成为可能 2
Silicon Labs ARM 家族核心成员 3
Silicon Labs 32 位 ARM 微控制器系列 Precision32 EFM32 4
Zero Tiny Gecko Leopard Giant Wonder EFM32 产品选择 M4 Optional Features USB LCD TFT DSP with FPU EFM32WG940 EFM32WG330 EFM32WG840 EFM32WG230 EFM32WG942 EFM32WG332 EFM32WG842 EFM32WG232 EFM32WG980 EFM32WG380 EFM32WG880 EFM32WG280 EFM32WG990 EFM32WG390 EFM32WG890 EFM3WG290 EFM32WG995 EFM32WG395 EFM32WG895 EFM32WG295 M3 USB LCD TFT USB LCD TFT EFM32GG940 EFM32GG942 EFM32GG980 EFM32GG990 EFM32GG995 EFM32GG330 EFM32GG332 EFM32GG380 EFM32GG390 EFM32GG395 EFM32GG840 EFM32GG842 EFM32GG880 EFM32GG890 EFM32GG895 EFM32GG230 EFM32LG940 EFM32LG330 EFM32LG840 EFM32LG230 Pin compatible EFM32GG232 EFM32GG280 EFM32GG290 EFM32GG295 EFM32LG942 EFM32LG980 EFM32LG990 EFM32LG995 EFM32LG332 EFM32LG380 EFM32LG390 EFM32LG395 EFM32LG842 EFM32LG880 EFM32LG890 EFM32LG895 EFM32LG232 EFM32LG280 EFM32LG290 EFM32LG295 LCD EFM32G210 EFM32G200 EFM32G840 EFM32G842 EFM32G880 EFM32G890 EFM32G230 EFM32G222 EFM32G232 EFM32G280 EFM32G290 LCD EFM32TG110 EFM32TG108 EFM32TG210 EFM32TG840 EFM32TG230 EFM32TG822 EFM32TG222 EFM32TG842 EFM32TG232 EFM32TG825 EFM32TG225 M0+ EFM32ZG110 EFM32ZG108 EFM32ZG210 EFM32ZG222 QFN24 QFN32 QFN64 QFP48 QFP64 QFP100 BGA48 BGA112 BGA120 ZERO ARM Cortex-M0+ Up to 32 MHz Flash: 4-32 RAM: 2-4 TINY Up to 32 MHz Flash: 4-32 RAM: 2-4 GECKO Up to 32 MHz Flash: 16 128 RAM: 8-16 LEOPARD Up to 48 MHz Flash: 64-256 RAM: 32 GIANT Up to 48 MHz Flash: 512-1024 RAM: 128 WONDER ARM Cortex-M4 FPU Up to 48 MHz Flash: 64-256 RAM: 32 5
Precision32 产品选择 Memory 256 kb / 32 kb SiM3U164 SiM3C164 SiM3U166 SiM3C166 SiM3U167 SiM3C167 USB Key Devices 128 kb / 32 kb SiM3U154 SiM3C154 SiM3U156 SiM3C156 SiM3U157 SiM3C157 Non-USB Devices 64 kb / 16 kb SiM3U144 SiM3C144 SiM3U146 SiM3C146 32 kb / 8 kb SiM3U134 SiM3C134 SiM3U136 SiM3C136 QFN40 (6x6) QFN64 (9x9) QFP64 (10x10) LGA92 (7x7) TQFP80 (12x12) 完全引脚兼容的 USB 和非 USB 产品, 闪存范围 :32-256KB 最大 32KB 的片上 RAM 主频高达 80MHz 集成片上 USB 振荡器和电压调节器 提供丰富的模拟外设资源, 采用了专利性的 CrossBar 技术 提供 QFN 和 TQFP 两种封装, 最小 6x6mm 封装 6
灵活的 Crossbar 架构 80 79 78 77 76 75 74 73 72 71 70 69 68 67 66 65 64 63 62 61 特性 开发人员可以选择外设并分 1 2 3 4 5 USART0 PCA0 Crossbar0 SPI0 USART1 PCA1 I2S 6 ch PCA I2C0 60 59 58 57 56 配到几乎任意引脚位置 6 7 CMP0 CMP1 Timer 0 Timer1 55 54 没有预设固定位置 8 9 UART0 UART1 SPI1 SPI2 53 52 AppBuilder 自动产生初始 化代码 Key Peripheral on 2 Xbars GPIO on crossbar GPIO off crossbar 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 SSG RTC I2S I2C1 Crossbar1 CMP0S CMP1S SPI2 USART1 I2C0 UART1 PB SPI1 UART0 LPTimer 51 50 49 48 47 46 45 44 43 42 41 Power/GND Test & regulator 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 7
EFM32 Cortex-M0+ M3 M4 MCU 8
专注于低功耗 MCU 设计 电池寿命延长至原来的 4 倍 9
节能型外围设备 核心 和 内存 I/O 端口 时钟管理 定时器和触发器 能耗管理 模拟接口 串行接口 安全 10
集成丰富外设 12 位 A/D 振荡器 复位 & WDT IC 高速片上振荡器 高性能的模拟外设 低电压监测和上电复位功能 12 位 DAC 削减元件数 使电路板面积最小化 11
高性能模拟外设 8 路外部输入信道 12 位 @ 1Msps, 电流消耗仅为 350 µa 低至 0.5 μa,1000 个 6 位样本 / 秒 + ADC...0101110... - 12 bit,500 ksps, 电流消耗仅为 200 µa 2 独立通道 持续的采样保持和采样关闭转换模式 正弦生成模式...0101110......0100010... DAC 支持做多 2 个比较器, 每个单元 8 个 PIN 输入 可编程的时间 / 电流 : 4.5 µs / 0.1 µa, 0.2 µs / 2 µa 可选择的迟滞模式, 内部基准 ACMP 3 路 rail-to-rail OPAMPs 可以配置到 ADC DAC 和 PIN 脚 增益可编程 + OPAMP - 12
DMA 控制器 闪存 RAM 和外围设备间传输 多达 12 个通道 多个高级传输模式 ( 散集 往复式 ) 减少延迟 降低 MCU 负载 降低系统功耗 Flash MCU DMA 控制器 RAM ExternalBus Interface 4 ch 8 ch 8 ch 12 ch 12 ch 12 ch Peripherals ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU LINKS 13
外围反射系统 ARM Cortex-M processor Z Z Z Reflex Producers Reflex Consumers Timer GPIO ADC DAC Peripheral Reflex System 4 ch 8 ch 8 ch 12 ch 12 ch 12 ch ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 14
外围反射系统 Reflex signals Reflex Consumers ADC DAC TIMER LESENSE UART USART PCNT ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 15
低功耗传感器接口 (LESENSE) 16
LESENSE 测试类型 Resistive Measurement Duty cycled power supply Total current down to 1.3 µa LESENSE Power supply Capacitive Measurement Relaxation Oscillator Total current down to 1.3 µa LESENSE Inductive Measurement Tank circuit sensor Measure rate of decay in inductor oscillation Total current down to 1.5 µa LESENSE Metal 17
AES 加密加速器 可用于加密和解密 How are you? AES &G#%5( F 128 位密钥只需要 54 个时钟 256 位为 75 个时钟周期 比软件快 20 80 倍 实时密钥生成 I am fine AES!T4/#2@(2 无需内存 密钥在 128 位模式下缓存 无需重新加载密钥 DMA 支持自主密码模式 ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 18
TFT 驱动器 TFT/(AM)OLED displays Full video from external memory EFM32 0% CPU load 320x240 pixels (QVGA) @ 60 fps Z Z Z 480x320 pixels (HVGA) @ 30 fps Supports displays without internal frame buffer CPU External Bus Interface w/tft Driver External Memory Accelerated graphics update Scrolling Rectangle copy Alpha blending Bit masking Free Segger emwin Graphics Library ZERO ARM Cortex-M0+ TINY GECKO LEOPARD GIANT WONDER ARM Cortex-M4 FPU 19 19
段码 LCD 驱动器 最大可以支持 8x36 segments 能耗 : 550 na for 4x40 具有内部偏置电压电路和升压转换 在 EM2 模式下的电流消耗低于 2µA CPU 未介入的情况下播放自定义动画 20
EFM32 内部架构 CPU and Memory Clock Management Energy Management processor Flash Program Memory RAM Memory Memory Protection Unit Debug Interface Embedded Trace Macrocell DMA High Freq Crystal Osc Low Freq Crystal Osc Ultra Low Freq RC Osc High Freq RC Osc Low Freq RC Osc Auxiliary RC Osc Voltage Regulator Brown-out Detector Back-up Power Domain Voltage Comparator Power-on Reset 32-bit bus Peripheral Reflex System Serial Interfaces I/O Ports Timers and Triggers Analog Modules Security USART Low Energy UART USB UART I2C External Bus Interface External Interrupt Pin Reset TFT Driver General Purpose I/O GPIO Wake-up Timer/ Counter Low Energy Timer Pulse Counter Backup RTC Low Energy Sensor IF Real Time Counter Watchdog Timer ADC LCD Controller Analog Comparator DAC Operational Amplifier IDAC AES Accelerator EM0 (Run Mode) Available down to: EM1 (Sleep) EM2 (Deep Sleep) EM3 (Stop Mode) EM4 (Shutoff Mode) 21
功耗与能耗的关系 能耗 = 功耗 时间 Power 工作模式功耗 Time 休眠模式功耗 总能耗 = 工作模式能耗 + 休眠模式能耗 22
工作模式功耗 I 3 Competitor B Competitor C Competitor A 1 2 4 EFM32 t 1. 睡眠电流 2. 唤醒时间 3. 工作电流 4. 自触发外围设备 23
运行模式下的低功耗表现 世界级的低功耗表现 运行模式下的电流对比 (ua/mhz) 400 350 300 250 200 150 100 50 218uA 175uA 294uA 344uA EFM32 Best! 110uA 0 A 公司 B 公司 C 公司 D 公司 数据来源 : 数据手册 & 实测 24 24
待机模式下的低功耗表现 待机模式下的电流对比 唤醒时间对比 14 16 12 14 10 12 8 6 4 2 0 4.5uA A 公司 6.9uA B 公司 2.6uA C 公司 10.6uA D 公司 EFM32 Best! 0.9uA 10 8 6 4 2 0 5μs A 公司 4μs B 公司 6μs C 公司 10μs D 公司 EFM32 2μs 数据来源 : 数据手册 & 实测 25 25
EFM32 的 10 大低功耗技术特点 Simplici ty Studio 与 AEM 极低的活动模式功耗 减少处理时间 LESENS E 低功耗传感器接口 快速唤醒时间 节能外围设备 超低的待机电流 设计良好的能耗模式 外围设备反射系统 外设自主操作 26
EFM32 为什么能够高能效 极低的活动模式功耗减少处理时间快速唤醒时间 µa/mhz @3V @1 MHz µa/mhz @3V @25 MHz µa/mhz @3V @32 MHz Cortex- M0+ CoreMark/MHz Cortex-M3 Cortex-M4 深度睡眠唤醒时间 210 150 150 2.42 3.32 3.40 2 µs 27
EFM32 为什么能够高能效 超低的待机电流外设自助操作周边反射系统 Shutoff current @ 3V Deep Sleep @ 3V incl. POR, BOD, RTC, RAM and CPU retained 20 na 900 na Operation while CPU sleeps Extensive DMA Support All peripherals can operate autonomously Direct peripheral interconnection system Boosting the value of autonomous operation Highly configurable Z ARM Cortex - M processor Z Z Reflex Producers Reflex Consumers Timer GPIO ADC DAC Peripheral Reflex System 28
EFM32 为什么能够高能效 设计良好的能耗模式节能外围设备低功耗传感器接口 EM0 Run Mode : 110 µa/mhz EM1 Sleep Mode : 45 µa/mhz EM2 Deep Sleep Mode : 900 na RTC, Brown-Out Detection, RAM and CPU retained EM3 Stop Mode : 500 na Brown-Out Detection, RAM & CPU retained Analog to Digital Converter 12-bit @ 1 MSamples/s: 350 µa Low Energy UART Full UART with 32 khz clock 150 na @ 9600 baud/s LCD Controller Directly driving up to 8x36 segment LCDs Boost/Contrast/Animation/Blink 550 na for 4x40 Autonomous sensor monitoring in deep sleep Up to 16 sensors simultaneously Highly configurable Resistive, Capacitive, Inductive EM4 Shutoff Mode : 20 na Pin/GPIO Reset RTC + 512-byte backup memory : 400 na EFM32 Z Z Z Z Z 29
EFM32 为什么能够高能效 高级能耗监控模块 30
简单应用工具 energyaware Battery Simplicity Studio energyaware Designer energyaware Profiler 31
完备的生态系统 DEBUG ADAPTERS ABATRON COOCOX HITEX KEIL OLIMEX SEGGER IAR SYSTEMS LAUTERBACH PROGRAMMERS ELNEC GOEPEL PHYTON RK-SYSTEM SEGGER 32
完善的开发工具 Zero Gecko Starter Kit Gecko Starter Kit Tiny Gecko Starter Kit Leopard/Giant/ Wonder Gecko Starter Kit Gecko Development Kit Leopard/Giant/ Wonder Gecko Development Kit Kit Part Number EFM32ZG-STK3200 EFM32G-G8XX-STK EFM32TG-STK3300 EFM32LG-STK3600 EFM32GG-STK3700 EFM32WG-STK3800 EFM32G-DK3550 EFM32LG-DK3650 EFM32GG-DK3750 EFM32WG-DK3850 Device EFM32ZG222F32 EFM32G890F128 EFM32TG840F32 Advanced Energy Monitoring USB J-Link Debugger Plug-in MCU and prototyping board Onboard J-Trace EFM32LG990F256 EFM32WG990F256 EFM32GG990F1024 EFM32G890F128 EFM32LG990F256 EFM32WG990F256 EFM32GG990F1024 Yes Yes Yes Yes Yes Yes Yes Yes Yes Yes Yes Yes - - Yes Yes - - - - Yes Screen 128x128 pixel MemoryLCD 4x40 segment LCD 8x20 segment LCD 8x20 segment LCD 4x40 segment LCD 320x240 RGB TFT w/touch 320x240 RGB TFT w/touch
开发工具多功能 可通过软件选择开发工具功能 :Demo 调试器或二者合一 34
市场应用 Energy, Gas, Water and Smart Meters Home and Building Automation Alarm and Security Systems Health and Fitness Smart Accessories Industrial and Automation
经典案例 1 36
经典案例 2 37
方案丼例 Network Processor Hardware AES security Extensive DMA support Low Energy UART Sensor Node 12-bit ADC, 1Msps @ 350 µa Low power processing @ 110 µa/mhz Sleep @ 900 na w/rtc, BOD, SRAM retention Encrypted door lock Hardware AES security Fast decryption of electronic key Low power processing @ 110 µa/mhz 20 na while waiting for GPIO wakeup Hi-Jack Interface Use audio jack plug on smartphone Harvest Energy directly from connector No battery needed! Two-way communication Application Note and source code available 38
丰富的方案资源 www.silabs.com/ www.sekorm.com/ 39
THANKS! 欲获得更多技术支持, 可联系 : 韩小勇 世强资深技术工程师 Mp: 15062339510, E-mail: xiaoyong_han@sekorm.com