MCX L系列：超低功耗MCU是如何实现的？

在2024年MCX产品组合成功的基础上，恩智浦发布MCX L系列超低功耗MCU。MCX L系列采用了许多与当前MCX产品组合相同的外设，其独特之处在于创新的电源管理架构，支持始终保持开启的电池供电应用。

MCX L系列带来更低功耗的未来

MCX L系列凝聚了几十年来在低功耗设计方面的经验。我们将这些经验与先进的40nm超低功耗 (ULP) 半导体工艺相结合，创建了一种名为自适应动态电压控制 (ADVC) 的新IP，用于MCX L系列。

ADVC子系统在能源受限的应用中表现出色，不论电源是电池、超级电容还是电力收集电路。

低功耗设计

MCX L搭载双域架构，在单个器件中合并了实时处理和超低功耗传感功能。MCX L处理架构由Arm Cortex-M33实时域和Arm Cortex-M0+ ULP始终在线感测域组成。

MCX L25x的结构框图。

实时域中的M33内核运行频率高达96MHz，电流消耗特性为24μA/MHz。

实时内核使用SIMD DSP指令和浮点单元实现了Armv8-M Baseline ISA，可快速、高效地按需处理ULP域获取的数据，以便通过有线/无线网络传输或记录到存储机制。

M0+内核旨在用于始终在线操作，使用始终在线域中的低功耗模拟和数字外设的组合来收集传感器数据。例如，ULP传感子系统在执行100kbit/s I2C任务时，在2MHz下运行时仅消耗14μA。提供7种低功耗模式，在最深睡眠模式下可实现亚μA级功耗。例如，MCX L通过按钮唤醒时，功耗为650μA；在自主唤醒时，功耗为700μA。

电源管理功能是MCX L系统设计不可或缺的一部分，ADVC IP实现了卓越的性能。

AVDC集成到系统电源管理架构中

器件核心电压 (对于40nm ULP工艺通常为0.9V) 由ADVC动态调谐。ADVC会调整系统工作点，以确保核心电源Vop尽可能接近内部晶体管的阈值电压Vt。功耗随工作电压的变化而变化，关系为∆Vop2。

将工作点降低到尽可能小的值可确保最低的动态功耗。由于平方标度定律，工作电压的微小变化会对功耗产生显著影响。例如，将工作电压从0.9V降低到0.65V，MCX L的功耗将减半。

ADVC根据工艺、温度和老化等环境条件调整工作点。嵌入式开发人员只需具备很少的领域知识，即可利用这项技术，因为ADVC和电源管理模式是通过简单的SDK API控制的。

适用于多种应用的低功耗外设

MCX L14和L25的外设分为实时域和ULP始终在线域。每个部件的每个外设组都是为了平衡不同应用需求的性能、集成和成本而设计的。

L25系列为工业流程控制和流量计量应用带来了关键功能。它的SLCD可驱动低功耗LCD，结合低功耗I2C/UART和在ULP传感域中运行的键盘外设，为开发人员提供了一个灵活的平台，用于创建各种计量产品。低功耗模拟和定时器外设在底层传感技术中的使用方式非常灵活。MCX L25使仪表能够兼容所有常见的测量拓扑，如无源电感/电容、桨式、差压和超声波传感器。

工业流量计量。

双域MCX L架构可实现高级计量应用/用户界面与底层计量/数据采集之间的分离。设计人员在开发产品系列时将获得极大的灵活性。

对于深度嵌入式工业和商业传感应用，MCX L14可提供关键功能，可满足成本、功耗、本地计算和封装要求。L14在ADC、定时器和连接方面的功能基本相同，但不包括用于深度嵌入式传感和控制应用的HMI功能。

MCX L14的工业应用包括智能温度、气体、压力或接触传感器。标准UART接口简化了使用MODBUS等工业协议进行设计的过程。对于住宅和建筑/基础设施应用，L14可用于电池供电的空气质量、运动、火灾/烟雾、照明或漏水传感器。

基于EdgeLock安全机制的信息安全

MCX L集成了一系列硬件工具，构建了强大的安全框架。恩智浦EdgeLock安全机制能够满足各种工业、建筑/基础设施和住宅应用的安全需求。

MCX L ROM包含用于实现安全配置工作流程的工具，包括集成于ROM中的安全引导加载程序功能、用于加速加密和签名检查的加密加速器、真随机数生成器、物理/逻辑TrustZone软件隔离、基于一次性可编程 (OTP) 熔丝和内置安全密钥的设备生命周期管理。

这些安全功能和MCUXpresso安全工具可帮助开发人员满足当前和未来的合规要求。网络安全法规正在逐步实施，以确保物联网设备达到最低安全标准。欧盟的《网络弹性法案》(CRA)将于2025年启动，并在2027年全面实施，以获取CE标志。美国的CTM (NIST 8425) 于2024年启动，目前为自愿性要求，但未来可能会变为强制性。

MCUXpresso开发人员体验

MCX产品组合的核心是MCUXpresso Developer Experience。MCUXpresso提供内核软件开发套件 (SDK)、集成开发环境 (IDE) 以及配置工具。MCX L的SDK包括低级外设驱动程序、配置实用工具和无线协议支持。

MCX L非常适合裸机应用，但同样支持RTOS。FreeRTOS示例将在SDK中提供，并在未来支持Zephyr。

作为MCUXpresso Developer Experience的一部分，恩智浦提供低成本FRDM开发板。这些开发板包括一个板载编程器/调试器，通过Arduino和mikroBUS连接器实现快速原型制作，并通过扩展板中心提供附加板。

FRDM开发板

另一个与MCX L SDK和扩展板中心相配合的开发资源是应用代码中心 (ACH)。ACH库中有高级软件示例、代码片段和演示。这些示例与SDK配对，可以直接从恩智浦的MCUXpresso IDE或通过ACH Web界面进行访问。

MCX L最初将提供两种硬件设计设备包：

■ LQFP100 14x14x1.4mm，0.5mm间距

■ VFBGA184 9x9x1mm，0.5mm间距

长期供货对于工业应用至关重要，MCX L系列将包含在恩智浦产品长期供货计划中。

总结与展望

MCX L14和L25是MCX产品组合的最新成员。MCX L专注于超低功耗、始终在线的应用，通过恩智浦专有的ADVC技术实现出色的功率特性。

新一代MCX L双核架构比以前的MCX器件功耗低3倍，可延长智能传感器节点、流量计和其它由电池供电的工业和物联网设备的续航能力。

本文作者：Eli Hughes是恩智浦专业支持工程师，为客户提供恩智浦微控制器和应用处理器系列硬件设计和固件方面的支持。除了支持工作，他还创作了一些技术内容，展示了恩智浦产品在实际真实场景中的应用。他借鉴了自己在宾夕法尼亚州立大学应用研究实验室的过往经验，在那里他参与了嵌入式系统、传感器、机器人、水下航行器和空间科学等领域的研究和开发。他也曾在宾夕法尼亚州立大学的电气工程系教授过微控制器、FPGA和电路理论等课程。在业余时间，Eli喜欢弹吉他和玩木工。