在之前的專(zhuān)欄中，我們介紹了 IoT 設(shè)計(jì)的多個(gè)方面，包括傳感器、連接性、軟件和單芯片 IoT 架構(gòu)。在這一部分中，我們正在探索電源要求和優(yōu)化。

電源給自包含的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)帶來(lái)了獨(dú)特的挑戰(zhàn)，尤其是當(dāng)它們需要滿(mǎn)足“始終開(kāi)啟”的要求時(shí)。畢竟，系統(tǒng)只有在電力持續(xù)時(shí)才是無(wú)線的。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備依靠電池或能量收集來(lái)為它們提供白天和黑夜的動(dòng)力。因此，工程師在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)需要特別小心，以盡量減少功耗。

解決此問(wèn)題的一種方法是創(chuàng)建分解為特定任務(wù)或電路塊的功率預(yù)算。通過(guò)分配每個(gè)任務(wù)或電路的功率預(yù)算，設(shè)計(jì)人員在選擇所需組件時(shí)可以獲得更多信息和清晰度。需要選擇物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的每個(gè)組件（包括傳感器、微控制器和無(wú)線連接）來(lái)創(chuàng)建超低功耗實(shí)施。

MCU 供應(yīng)商在為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用優(yōu)化 MCU 時(shí)會(huì)考慮多種因素，包括：

完善技術(shù)節(jié)點(diǎn)

提供高度靈活的電源模式

啟用功耗優(yōu)化的硬件 IP 塊

使用靈活的低功耗信號(hào)鏈和模擬前端

將基本功能集成到單個(gè)芯片中

支持全面的工作電壓范圍

優(yōu)化 Flash 訪問(wèn)

能量收集

用于制造 MCU 的工藝技術(shù)對(duì)于確定其性能、低功耗能力和成本至關(guān)重要。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要高效的有功功耗和低功耗模式消耗，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體電源效率。制造技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步導(dǎo)致芯片尺寸縮小。芯片縮小直接影響性能和功耗?？s小芯片可減少在保持相同時(shí)鐘頻率的同時(shí)打開(kāi)/關(guān)閉每個(gè)晶體管所需的電流。因此，較小的芯片具有較低的功耗，增加的頻率余量會(huì)帶來(lái)更高的性能。不幸的是，雖然縮小工藝技術(shù)可以提高性能、功耗和集成度，但它帶來(lái)了管理漏電流的挑戰(zhàn)，特別是在低功耗模式下運(yùn)行時(shí)。必須根據(jù)最終應(yīng)用在有源模式和低功耗模式電流消耗之間進(jìn)行權(quán)衡。

在之前的專(zhuān)欄（無(wú)線電和計(jì)算機(jī)）中，我們探討了為什么最好使用對(duì)您的應(yīng)用程序足夠強(qiáng)大的計(jì)算和連接，因?yàn)樘礁邔涌赡軙?huì)顯著增加功耗。即使使用看似優(yōu)化的系統(tǒng)，也可能并不總是需要計(jì)算和連接性。在這種情況下，使用 SoC 供應(yīng)商提供的低功耗模式是輕而易舉的事。靈活的電源模式的可用性使開(kāi)發(fā)人員能夠安排單獨(dú)的系統(tǒng)事件，從而優(yōu)化整體功耗。一項(xiàng)基本技術(shù)是提供可以在低功耗模式下運(yùn)行的多個(gè)外設(shè)，并且可以在無(wú)需喚醒 CPU 的情況下喚醒這些外設(shè)來(lái)執(zhí)行其功能。在考慮 MCU 的功耗模式時(shí)，重要的是要超越基本架構(gòu)。例如，標(biāo)準(zhǔn) ARM CPU 內(nèi)核支持 Active、Sleep 和 Deep Sleep。MCU 供應(yīng)商通常會(huì)添加額外的電源模式以進(jìn)一步增強(qiáng)電源優(yōu)化。一些 MCU 還提供特定的低功耗活動(dòng)模式，以使外設(shè)可用于具有有限功能（例如較低的工作頻率和電壓）和較低功耗的操作。

傳感子系統(tǒng)也可以從創(chuàng)造性的功率優(yōu)化技術(shù)中受益。例如，以所需的最低采樣率而不是過(guò)采樣使用 ADC。在基于電阻梯的測(cè)量中，可以通過(guò)較少的差分轉(zhuǎn)換巧妙地完成許多簡(jiǎn)單的結(jié)束轉(zhuǎn)換。除了降低功耗之外，這些技術(shù)還降低了共模噪聲。

現(xiàn)代運(yùn)算放大器和其他線性集成電路具有降低的電源電壓和使能引腳。這使系統(tǒng)能夠在不需要運(yùn)行時(shí)關(guān)閉模擬前端/信號(hào)鏈。具有集成信號(hào)鏈或可編程模擬模塊的 SoC 提供了更大的靈活性。在片上可編程系統(tǒng)中，運(yùn)算放大器可以以非常低的有效電流在深度睡眠電源模式下運(yùn)行，盡管要以降低帶寬為代價(jià)。這種技術(shù)對(duì)于始終開(kāi)啟的直流到低頻信號(hào)鏈來(lái)說(shuō)是一個(gè)相當(dāng)大的提升。

與可編程模擬提供的功能類(lèi)似，具有可編程數(shù)字的 SoC 使系統(tǒng)能夠?qū)⒑?jiǎn)單的數(shù)字任務(wù)卸載到可編程 I/O。這允許 CPU 在處理這些任務(wù)時(shí)保持深度睡眠。如果沒(méi)有這種可編程數(shù)字，CPU 將不得不變得活躍才能直接執(zhí)行這些任務(wù)。

另一個(gè)顯著影響功耗的因素是非易失性 （NV） 存儲(chǔ)器訪問(wèn)。對(duì)于使用 Flash 存儲(chǔ)固件代碼的 MCU 來(lái)說(shuō)尤其如此。閃存訪問(wèn)中的任何優(yōu)化都會(huì)導(dǎo)致顯著降低功耗。目標(biāo)是最小化 Flash 訪問(wèn)的頻率。這里應(yīng)用了兩種常規(guī)技術(shù)。一種方法是提供高速緩沖存儲(chǔ)器。這樣，不需要在每個(gè)執(zhí)行周期都訪問(wèn)實(shí)際的代碼存儲(chǔ)器（Flash）。由于高速緩存需要較少的功率來(lái)訪問(wèn)，這將顯著影響有功功耗。另一種方法是增加每個(gè)周期獲取的數(shù)據(jù)量。使用更廣泛的 Flash 訪問(wèn)可降低 Flash 訪問(wèn)頻率并降低功耗。

基于物聯(lián)網(wǎng)的 MCU 還可以提供靈活的電源系統(tǒng)。通過(guò)支持寬電源電壓范圍，MCU 可以使用多個(gè)電源供電。例如，健身追蹤器等簡(jiǎn)單的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用可以由紐扣電池供電，而智能手表等復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用可以由 PMIC（電源管理集成電路）供電。一些 MCU 提供內(nèi)部降壓轉(zhuǎn)換器以有效調(diào)節(jié)功率。

能量收集是從操作環(huán)境（如光能、熱能和機(jī)械能）中獲取能量的過(guò)程。從系統(tǒng)級(jí)的角度來(lái)看，能量收集可以成為改變游戲規(guī)則的替代方案，而不是總是從電池中獲取電力。當(dāng)超低能量系統(tǒng)需要少量電力時(shí)，能量收集是可行的。太陽(yáng)能模塊是最流行的能量收集解決方案，因?yàn)樗鼈內(nèi)菀撰@得、易于使用且成本低。然而，隨著智能鞋等可穿戴設(shè)備不斷受到運(yùn)動(dòng)影響，壓電和電磁動(dòng)能收集變得很有吸引力，因?yàn)樗鼈兛梢援a(chǎn)生更高電壓的大量電力。熱電發(fā)電機(jī)是工業(yè)應(yīng)用中利用熱能發(fā)電的絕佳選擇。

審核編輯：郭婷