探索物联网智能世界的电源要求和优化

在之前的专栏中，我们介绍了 IoT 设计的多个方面，包括传感器、连接性、软件和单芯片 IoT 架构。在这一部分中，我们正在探索电源要求和优化。

电源给自包含的物联网节点带来了独特的挑战，尤其是当它们需要满足“始终开启”的要求时。毕竟，系统只有在电力持续时才是无线的。物联网设备依靠电池或能量收集来为它们提供白天和黑夜的动力。因此，工程师在设计产品时需要特别小心，以尽量减少功耗。

解决此问题的一种方法是创建分解为特定任务或电路块的功率预算。通过分配每个任务或电路的功率预算，设计人员在选择所需组件时可以获得更多信息和清晰度。需要选择物联网系统的每个组件（包括传感器、微控制器和无线连接）来创建超低功耗实施。

MCU 供应商在为物联网应用优化 MCU 时会考虑多种因素，包括：

完善技术节点

提供高度灵活的电源模式

启用功耗优化的硬件 IP 块

使用灵活的低功耗信号链和模拟前端

将基本功能集成到单个芯片中

支持全面的工作电压范围

优化 Flash 访问

能量收集

用于制造 MCU 的工艺技术对于确定其性能、低功耗能力和成本至关重要。物联网应用需要高效的有功功耗和低功耗模式消耗，以实现系统的整体电源效率。制造技术的持续进步导致芯片尺寸缩小。芯片缩小直接影响性能和功耗。缩小芯片可减少在保持相同时钟频率的同时打开/关闭每个晶体管所需的电流。因此，较小的芯片具有较低的功耗，增加的频率余量会带来更高的性能。不幸的是，虽然缩小工艺技术可以提高性能、功耗和集成度，但它带来了管理漏电流的挑战，特别是在低功耗模式下运行时。必须根据最终应用在有源模式和低功耗模式电流消耗之间进行权衡。

在之前的专栏（无线电和计算机）中，我们探讨了为什么最好使用对您的应用程序足够强大的计算和连接，因为跳到更高层可能会显着增加功耗。即使使用看似优化的系统，也可能并不总是需要计算和连接性。在这种情况下，使用 SoC 供应商提供的低功耗模式是轻而易举的事。灵活的电源模式的可用性使开发人员能够安排单独的系统事件，从而优化整体功耗。一项基本技术是提供可以在低功耗模式下运行的多个外设，并且可以在无需唤醒 CPU 的情况下唤醒这些外设来执行其功能。在考虑 MCU 的功耗模式时，重要的是要超越基本架构。例如，标准 ARM CPU 内核支持 Active、Sleep 和 Deep Sleep。MCU 供应商通常会添加额外的电源模式以进一步增强电源优化。一些 MCU 还提供特定的低功耗活动模式，以使外设可用于具有有限功能（例如较低的工作频率和电压）和较低功耗的操作。

传感子系统也可以从创造性的功率优化技术中受益。例如，以所需的最低采样率而不是过采样使用 ADC。在基于电阻梯的测量中，可以通过较少的差分转换巧妙地完成许多简单的结束转换。除了降低功耗之外，这些技术还降低了共模噪声。

现代运算放大器和其他线性集成电路具有降低的电源电压和使能引脚。这使系统能够在不需要运行时关闭模拟前端/信号链。具有集成信号链或可编程模拟模块的 SoC 提供了更大的灵活性。在片上可编程系统中，运算放大器可以以非常低的有效电流在深度睡眠电源模式下运行，尽管要以降低带宽为代价。这种技术对于始终开启的直流到低频信号链来说是一个相当大的提升。

与可编程模拟提供的功能类似，具有可编程数字的 SoC 使系统能够将简单的数字任务卸载到可编程 I/O。这允许 CPU 在处理这些任务时保持深度睡眠。如果没有这种可编程数字，CPU 将不得不变得活跃才能直接执行这些任务。

另一个显着影响功耗的因素是非易失性 （NV） 存储器访问。对于使用 Flash 存储固件代码的 MCU 来说尤其如此。闪存访问中的任何优化都会导致显着降低功耗。目标是最小化 Flash 访问的频率。这里应用了两种常规技术。一种方法是提供高速缓冲存储器。这样，不需要在每个执行周期都访问实际的代码存储器（Flash）。由于高速缓存需要较少的功率来访问，这将显着影响有功功耗。另一种方法是增加每个周期获取的数据量。使用更广泛的 Flash 访问可降低 Flash 访问频率并降低功耗。

基于物联网的 MCU 还可以提供灵活的电源系统。通过支持宽电源电压范围，MCU 可以使用多个电源供电。例如，健身追踪器等简单的物联网应用可以由纽扣电池供电，而智能手表等复杂的物联网应用可以由 PMIC（电源管理集成电路）供电。一些 MCU 提供内部降压转换器以有效调节功率。

能量收集是从操作环境（如光能、热能和机械能）中获取能量的过程。从系统级的角度来看，能量收集可以成为改变游戏规则的替代方案，而不是总是从电池中获取电力。当超低能量系统需要少量电力时，能量收集是可行的。太阳能模块是最流行的能量收集解决方案，因为它们容易获得、易于使用且成本低。然而，随着智能鞋等可穿戴设备不断受到运动影响，压电和电磁动能收集变得很有吸引力，因为它们可以产生更高电压的大量电力。热电发电机是工业应用中利用热能发电的绝佳选择。

审核编辑：郭婷