物联网设计的电源要求和优化

电源给独立的物联网节点带来了独特的挑战，尤其是当它们需要满足“始终在线”的要求时。毕竟，系统只有在电源持续时才是无线的。物联网设备依靠电池或能量收集来为它们昼夜供电。因此，工程师在设计产品时需要特别小心，以最大限度地降低功耗。

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

MCU 供应商在针对物联网应用优化 MCU 时会考虑各种因素，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

优化闪存访问

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，以实现系统的整体能效。制造技术的不断进步导致芯片尺寸缩小。性能和功耗直接受到芯片收缩的影响。缩小芯片可降低打开/关闭每个晶体管所需的电流，同时保持相同的时钟频率。因此，更小的芯片具有更低的功耗和更大的频率裕量，从而带来更高的性能。遗憾的是，虽然工艺技术缩小了性能、功耗和集成度，但它带来了管理漏电流的挑战，尤其是在低功耗模式下运行时。必须根据最终应用在有源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足以满足应用程序需求的计算和连接，因为跳到更高的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。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。灵活的功耗模式使开发人员能够安排单个系统事件，从而优化整体功耗。一项基本技术是提供多个可在低功耗模式下运行的外设，并且可以在不唤醒 CPU 的情况下唤醒这些外设以执行其功能。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 内核支持活动、睡眠和深度睡眠。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有源模式，使外设能够以有限的功能（如较低的工作频率和电压）和更低的功耗运行。

传感子系统还可以从创造性的功率优化技术中受益。例如，以所需的最低采样速率使用ADC，而不是过采样。在基于电阻阶梯的测量中，许多简单的结束转换可以巧妙地完成，而差分转换较少。除了降低功耗外，这些技术还可以降低共模噪声。

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。这使得系统能够在不需要操作时关闭模拟前端/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，运算放大器可以在深度睡眠功率模式下工作，具有非常低的有功电流，尽管代价是带宽降低。这种技术对于始终接通的直流至低频信号链具有相当大的提升作用。

与可编程模拟提供的功能类似，具有可编程数字功能的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状态。如果没有这种可编程数字，CPU将不得不激活才能直接执行这些任务。

另一个显著影响功耗的因素是非易失性 （NV） 内存访问。对于使用闪存存储固件代码的MCU尤其如此。闪存访问中的任何优化都会导致功耗大幅降低。目标是尽量减少闪存访问的频率。这里应用了两种常规技术。一种方法是提供缓存。这样，不需要在每个执行周期都不访问实际的代码存储器（Flash）。由于缓存需要较少的功率才能访问，这将显著影响有功功耗。另一种方法是增加每个周期获取的数据量。使用更广泛的闪存访问可降低闪存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，简单的物联网应用（如健身追踪器）可以由纽扣电池供电，而复杂的物联网应用（如智能手表）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、热和机械能）中获得能量的过程。从系统级的角度来看，能量收集可以成为一种改变游戏规则的替代方案，而不是始终从电池中获取电力。当超低能耗系统需要少量功率时，能量收集是可行的。太阳能模块是最受欢迎的能量收集解决方案，因为它们随时可用、易于使用且成本低。然而，随着智能鞋等可穿戴设备持续暴露于运动中，压电和电磁动能收集变得有吸引力，因为它们可以在更高的电压下产生大量电力。在工业应用中，热电发电机是利用热量发电的绝佳选择。虽然能量收集提供“免费”能源，但它需要精心设计的电子设备，以便从不同的能源为物联网节点提供恒定的供应。

审核编辑：郭婷