隨著我們?nèi)粘Ｉ钣闷纷兊迷絹?lái)越智能，設(shè)???工程師需要找到解決此類設(shè)備供電問(wèn)題的可行途徑。而在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，往往在設(shè)計(jì)周期的最后階段才會(huì)考慮電源問(wèn)題。本文探討三類應(yīng)用的供電問(wèn)題，以及低功耗微控制器在為聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供高效電源管理的重要性。 萬(wàn)物皆智慧 并不是說(shuō)您家的大門有大腦控制。但如果您家的大門有辦法說(shuō)話，它一定有很多事情告訴您。它能告訴您門是開(kāi)著的還是關(guān)著的、鎖了沒(méi)有；它還能告訴您外邊的天氣怎么樣；它能告訴您門外是誰(shuí)。如果大門能夠聽(tīng)懂您說(shuō)話，則能???得更多：根據(jù)您的命令鎖門或開(kāi)門、使您能夠與門外等候的人講話。 我們周圍的東西以及與之交互的東西都在變得智能，所以我們希望將其連接到互聯(lián)網(wǎng)。但目前許多東西沒(méi)有辦法分享其信息或聆聽(tīng)我們的請(qǐng)求 —— 技術(shù)不足以支撐將任何擁有寶貴數(shù)據(jù)的東西都聯(lián)網(wǎng)，有可能不值得或不切實(shí)際。能夠?yàn)槲覀冎車挛飵?lái)智慧的傳感器和執(zhí)行器需要克服巨大的供電挑戰(zhàn)。比如，大門傳感器的供電問(wèn)題將限制其普及；頻繁更換電池造成設(shè)備（或智能管理）不可用；大電池可能會(huì)壓垮許多應(yīng)用...有誰(shuí)希望家門口放置一個(gè)突兀的電池包？并且太陽(yáng)能收集能量也不是始終可用的。 我們周圍充滿了隱形智慧，在等待激活。但我們必須首先搞清楚如何為智能設(shè)備供電。 圖1. 包括智能廚房器具在內(nèi)的IoT設(shè)備往往需要高效供電才能發(fā)揮作用 什么是隱形智慧？ 許多有趣的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用都遵循隱形智慧的原則。最好的技術(shù)隱藏于無(wú)形的設(shè)想，隱形智慧對(duì)于IoT應(yīng)用具有特別的意義。 隱形智慧的第一條原則是，通過(guò)技術(shù)手段挖掘事物的智慧時(shí)，不應(yīng)從根本上改變我們與之交互的方式。我們?nèi)匀辉谥悄軠囟缺O(jiān)控器上設(shè)置溫度，但溫度監(jiān)控器開(kāi)始根據(jù)大量條件學(xué)習(xí)我們的喜好；我們?nèi)匀惶鹗滞髞?lái)看時(shí)間，但同時(shí)能夠看到其他更有意義的數(shù)據(jù)，供我們感興趣時(shí)進(jìn)一步了解。 隱形智慧的第二條原則，我們應(yīng)該注意不到智能設(shè)備與其對(duì)應(yīng)的“傻瓜”版本之間的區(qū)別，所以我們稱其為隱形。加熱線圈被激活時(shí)，智能床會(huì)發(fā)出嗡嗡聲，這有悖于床的初衷；如果窗戶傳感器需要較大的電池，因此阻擋了外部的光線，就失去了窗戶的意義；如果自動(dòng)百葉窗的電機(jī)個(gè)頭較大，就破壞了優(yōu)美的風(fēng)景。 隱形智慧的第三條原則是具備價(jià)值的數(shù)據(jù)。與“傻瓜”版本相比，具有隱形智慧的東西更昂貴。智能磚塊可能非常容易使用，并且不會(huì)改變您與之交互的方式或關(guān)于對(duì)磚塊的認(rèn)識(shí)。但是，如果花重金購(gòu)買從房子上掉下來(lái)時(shí)會(huì)向您發(fā)短消息的磚塊，真的具有投資回報(bào)（ROI）嗎？ 接下來(lái)我們討論隱形智慧的三條原則，以及與我們最初的問(wèn)題：如何為IoT供電？ ● 交互：電池或其他能量收集不能影響設(shè)備的使用。需要搖動(dòng)手柄才能操作智能溫度監(jiān)控器？智能手表上的電池能把手臂壓彎？太陽(yáng)能面板妨礙您操作智能鎖？我們不應(yīng)只考慮這些電源帶來(lái)的物理障礙。畢竟，電池充電通常也不是我們與大多數(shù)設(shè)備交互的一部分。雖然可能必須為某些電池重復(fù)充電，但設(shè)計(jì)師應(yīng)考慮我們與設(shè)備的自然交互。需要每天充電的智能門鈴不可能成為我們?nèi)粘Ｉ畹谋匦杵贰? ● 設(shè)備外觀：這里我們考慮美觀和實(shí)用性。考慮窗外美景窗戶傳感器的電池阻擋：人們會(huì)直接廢棄窗戶觸感器。如果因?yàn)殡姵氐脑蛟斐芍悄苁汁h(huán)笨重，一旦新鮮勁過(guò)去，您可能就再也不用了。 ● 數(shù)據(jù)價(jià)值：與所有業(yè)務(wù)一樣，IoT設(shè)備存在固有的投入回報(bào)（ROI）問(wèn)題，“回報(bào)”必須超過(guò)“投入”。不合理的能量收集電路可能增加較高成本，導(dǎo)致“投入”超過(guò)“回報(bào)”。電池更換也會(huì)提高“投入”，不僅包括電池成本，也包括客戶體驗(yàn)等指標(biāo)。 可穿戴設(shè)備引領(lǐng)潮流 IoT并不局限于某個(gè)片刻或某個(gè)市場(chǎng)，而是越來(lái)越多設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的趨勢(shì)以及支撐這些設(shè)備的技術(shù)。我們已經(jīng)能夠在大量設(shè)備部署中看到IoT的身影；智能電表和可穿戴健身設(shè)備是其中兩個(gè)非常流行的例子。就后者而言，我們已經(jīng)看到有產(chǎn)品既成功解決供電問(wèn)題，又成功展示了“隱形智慧”。 健身手表等商業(yè)上非常成功的可穿戴產(chǎn)品完全遵循以上三條原則。與傳統(tǒng)手表相比，我們與健身手表的正常交互方式?jīng)]有什么不同——我們?nèi)匀荒軌蛞荒苛巳坏孬@得所需的信息，盡管我們可能需要學(xué)習(xí)更多的復(fù)雜操作才能獲得額外的數(shù)據(jù)和特性。許多健身手表確實(shí)需要每天充電，但這與我們與手表的“正常交互”沒(méi)有太大區(qū)別——我們?cè)谕砩弦话銜?huì)摘下手表，并且充電（我們對(duì)手機(jī)就是這么做的），并不會(huì)真正破壞我們的交互。 健身手表在很大程度上保持了普通手表的外觀。得益于低功耗技術(shù)優(yōu)勢(shì)，智能手表能夠提供更多特性和數(shù)據(jù)，且其尺寸不會(huì)超過(guò)傳統(tǒng)手表。 健身手表也不斷提供寶貴的數(shù)據(jù)。幾年之前，跑步者或騎車人知道跑出了多長(zhǎng)距離就足夠了，但現(xiàn)在他們會(huì)計(jì)算卡路里、分析多個(gè)健康參數(shù)、識(shí)別多種不同的運(yùn)動(dòng)類型，并且與智能手機(jī)集成，實(shí)現(xiàn)即時(shí)通知。 除遵守隱形智慧的原則之外，健身手表也展示了IoT領(lǐng)域的另一趨勢(shì)：對(duì)數(shù)據(jù)的日益渴求。幾年前僅僅整合了GPS功能，現(xiàn)在則集成多個(gè)光傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)心率和脈搏血氧，運(yùn)動(dòng)傳感器填補(bǔ)了GPS無(wú)法工作時(shí)的空白，并可識(shí)別其他運(yùn)動(dòng)，以及高度計(jì)量等?？纱┐髟O(shè)備也擁有多種輸出數(shù)據(jù)的途徑：無(wú)線接口和彩色圖形屏幕代替了專用線纜連接和單色文字屏幕。 健身手表等可穿戴應(yīng)用引領(lǐng)了新的潮流，我們看到大量聯(lián)網(wǎng)設(shè)備正在不斷地增加傳感器，幫助提供更多數(shù)據(jù)。但是越來(lái)越多的傳感器和越來(lái)越多的連接以及算法意味著更大功耗，需要更大的電池或頻繁的充電，這絕對(duì)不是好的解決方法。如何在看似不可能的情況下管理其功耗預(yù)算：在提供更多數(shù)據(jù)信息的同時(shí)有效延長(zhǎng)設(shè)備工作時(shí)間？ 電源與現(xiàn)實(shí)世界 我們通常考慮IoT應(yīng)用的三個(gè)關(guān)鍵能力：檢測(cè)（或控制）、處理和通信。但往往忽略了供電問(wèn)題。 許多IoT設(shè)備可插入市電——智能廚房器具或電動(dòng)工具往往需要墻上電源插座。這種情況下的功耗可能不是問(wèn)題，甚至開(kāi)辟了更多的通信選項(xiàng)，例如電力線通信。但我們只有擺脫電源線并從沒(méi)有連線的無(wú)線供電設(shè)備獲得數(shù)據(jù)時(shí)，才能夠?qū)崿F(xiàn)IoT的真正愿景——從任何地方獲得有價(jià)值的數(shù)據(jù)。 能量收集是非常好的想法，但由于收集能量的自然屬性，在可用范圍以外的可行性不太大。太陽(yáng)能可以為許多應(yīng)用產(chǎn)生充足能量，但有多少應(yīng)用能夠在天氣變差時(shí)停工一天或一周？有多少應(yīng)用能夠在晚上不工作？您可以利用可充電電池填補(bǔ)這些空白，但在一定程度上也失去了太陽(yáng)能供電的價(jià)值。 事實(shí)上，大多數(shù)IoT應(yīng)用都將依賴于某種形式的電池。即使使用能源收集，仍然需要可充電電池，許多應(yīng)用還會(huì)依賴一次性電池，要么在電池使用壽命之后將設(shè)備廢棄，要么設(shè)備的價(jià)值足以值得更換電池。為了最大程度地延長(zhǎng)設(shè)備壽命或兩次充電之間的時(shí)間間隔，設(shè)計(jì)工程師必須高效利用電池。 高效供電 大多數(shù)嵌入式應(yīng)用使用多片IC，各個(gè)IC都需要電源。許多情況下，這些IC可能需要多路不同的電源。您有可能使用工作在1.8V、3.3V、1.2V供電的不同芯片，或需要多個(gè)不同電源軌的芯片。針對(duì)每路電源使用一個(gè)電池顯然沒(méi)有意義，工程師需要確定如何將單個(gè)電池電壓轉(zhuǎn)換為所需的多個(gè)電源軌。還需要了解實(shí)際電池的特性：例如，電池在整個(gè)壽命期間產(chǎn)生的電壓將發(fā)生變化，一般隨電池放電而降低。 可利用簡(jiǎn)單、廉價(jià)的線性穩(wěn)壓器將電池電壓轉(zhuǎn)換為必要的供電電壓。實(shí)際上，許多IC可能集成了線性穩(wěn)壓器，以簡(jiǎn)化外部電路設(shè)計(jì)。微控制器內(nèi)部往往使用多路不同電壓。I/O引腳可能工作在3.3V，而處理器核可能工作在1.8V——這種情況下，微控制器可能使用線性穩(wěn)壓器，工程師只需要為微控制器提供3.3V電壓，該電壓將在內(nèi)部被穩(wěn)定至1.8V。 盡管線性穩(wěn)壓器能夠提供極低噪聲，這對(duì)于許多敏感的模擬電路至關(guān)重要，但由于線性穩(wěn)壓器功耗較大，效率非常低。 一般會(huì)設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源（SMPS），高效地為嵌入式應(yīng)用供電。這些設(shè)計(jì)通常比較復(fù)雜，且成本更高。如果管理不合理，來(lái)自于開(kāi)關(guān)元件的噪聲可能干擾其他電路。然而，與線性穩(wěn)壓器相比，開(kāi)關(guān)模式電源的優(yōu)勢(shì)是電壓轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)90%或更高。 這意味著什么？以某款微控制器為例，其工作電壓為1.8V，耗流為100μA @ 1MHz，系統(tǒng)供電電池為3.3V電壓。如果使用線性穩(wěn)壓器，從3.3V穩(wěn)定到1.8V，消耗一定比例的電流，盡管微控制器功耗為180μW，但線性穩(wěn)壓器額外消耗了150μW。 圖2、線性穩(wěn)壓器的功耗 圖3、開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器功耗 現(xiàn)在，假設(shè)在相同情況下使用效率為95%的SMPS。此時(shí)，微控制器的功耗仍然為180μW，但電源僅額外消耗9μW，總功耗為189μW，而非330μW。 考慮功率而非電流 大家都在談?wù)摴?jié)能話題。我們甚至愿意為較低功耗應(yīng)用支付更多費(fèi)用。供電公司根據(jù)我們使用的電量收取電費(fèi)。沒(méi)有人關(guān)心設(shè)備消耗的電流是多少，因?yàn)槿绻恢涝O(shè)備的工作電壓，這種衡量手段是沒(méi)有意義的。那么微控制器為什么采用每兆赫茲微安（μA/MHz）作為常見(jiàn)的效率指標(biāo)呢？更合適的指標(biāo)應(yīng)為每兆赫茲微瓦（μW/MHz）。 考慮以下兩款微控制器：微控制器A工作在60μA/MHz，3.3V供電；微控制器B工作在100μA/MHz，1.2V供電。 圖4、功率 = 電流x電壓 我們不斷聽(tīng)到說(shuō)微控制器A更好，因?yàn)槠浜牧鞲。瑑H為60μA/MHz，而非100μA/MHz。但是，如果考慮功耗（假設(shè)微控制器工作在1MHz），即使因?yàn)镾MPS將效率提高了5%，微控制器B的功耗也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于微控制器A。 選擇低壓微控制器 有些產(chǎn)品可根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)的幾行數(shù)據(jù)（以及一定程度的驗(yàn)證）來(lái)選擇功耗適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品。但微控制器則比較棘手——作為嵌入式系統(tǒng)的大腦，它可能是電池的用電大戶。并且也像大腦一樣，非常復(fù)雜，難以簡(jiǎn)單地根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)的1-2行數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇。