在2011年，我們看到了很多關(guān)于智能能源的興奮。例如，北美的公用事業(yè)公司正忙于安裝智能電表。在巴西，該國(guó)的電力監(jiān)管機(jī)構(gòu)Agencia Nacional de Energia Eletrica因其呼吁為該國(guó)建造一個(gè)完整的智能電表而引起了極大的興奮。在歐洲，幾家公用事業(yè)公司正在創(chuàng)建自己獨(dú)特的智能電表通信方式。

當(dāng)時(shí)引起了更多的轟動(dòng)，許多公司都在推廣家庭局域網(wǎng)（HAN）解決方案。周圍有令人興奮的愿景，包括每臺(tái)洗衣機(jī)、烘干機(jī)、冰箱上的能源測(cè)量設(shè)備......甚至燈泡。每個(gè)設(shè)備都可以方便地通過(guò)ZigBee，藍(lán)牙或其他低功耗，短距離通信協(xié)議與家庭路由器通信。

快進(jìn)到今天，智能電表已安裝在北美大部分地區(qū)以及歐洲和亞洲的許多國(guó)家。公用事業(yè)公司正在監(jiān)控電力使用情況。他們還通過(guò)消除抄表員來(lái)節(jié)省一些費(fèi)用，這些抄表員會(huì)走過(guò)社區(qū)手動(dòng)讀取每個(gè)電表。然而，完整的智能能源建設(shè)的愿景是不同的。例如，我們并沒(méi)有真正測(cè)量每個(gè)燈泡上的能量，這可能是由于此類系統(tǒng)的高成本與運(yùn)行燈的能源成本相比。進(jìn)一步降低這種能源成本的是低能耗的光源，如緊湊型熒光燈泡和LED。也許我們只是在某些粒度級(jí)別上最大化了對(duì)數(shù)據(jù)的需求。然而，這種情況不應(yīng)引起絕望。畢竟，雖然智能能源的一個(gè)愿景沒(méi)有成為現(xiàn)實(shí)，但仍有許多美好的進(jìn)步正在支持新的愿景。

以咖啡為例。十年前，北美的大多數(shù)人和餐館都在玻璃或陶瓷壺中煮咖啡，然后將其放在燃燒器上以保持溫暖。那個(gè)燃燒器不僅消耗能量，而且還慢慢煮熟了咖啡，破壞了味道。當(dāng)有人想到將咖啡放入熱水瓶中以保持咖啡的熱量時(shí)，咖啡飲用者會(huì)很高興。這一步使咖啡“離線”，因?yàn)樗辉龠B接到電網(wǎng)。因此，咖啡制作消耗的能量更少，并且會(huì)產(chǎn)生更好的飲料。對(duì)于智能能源的一個(gè)很好的例子來(lái)說(shuō)，這是怎么回事？

咖啡示例與工程系統(tǒng)的其他概念相似，這些概念既能最大限度地提高性能，又能節(jié)省能源。一個(gè)偉大的進(jìn)步是毫微功耗技術(shù)，其中某些部件的電流消耗處于靜止?fàn)顟B(tài) - 不工作，但也沒(méi)有完全關(guān)閉。較新的產(chǎn)品利用先進(jìn)的模擬CMOS工藝技術(shù)，以納安電流工作，其標(biāo)稱電流幾乎無(wú)法測(cè)量。這些系統(tǒng)具有兩大節(jié)能優(yōu)勢(shì)：首先是占空比，其次是分散功耗架構(gòu)。接下來(lái)，讓我們看一些提供毫微功耗技術(shù)優(yōu)勢(shì)的器件和電路示例。

煙霧探測(cè)器是最早的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備之一。通常，它們預(yù)計(jì)使用電池運(yùn)行 10 年，支持不頻繁的電池更換和停電期間的運(yùn)行。圖1顯示了典型的現(xiàn)代煙霧報(bào)警器框圖，該報(bào)警器具有電池、多個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器、微控制器、RF通信、傳感器（可能是多種架構(gòu)）和壓電蜂鳴器。表1中基于現(xiàn)代組件的每個(gè)模塊的電流消耗值示例值。在光學(xué)煙霧傳感器的情況下，運(yùn)行LED的峰值電流將在mA范圍內(nèi)，但隨著LED通常以相對(duì)不頻繁的速度循環(huán)，平均電流會(huì)下降。在大多數(shù)報(bào)警器中，有源電路只能在0.05%的時(shí)間內(nèi)對(duì)空氣進(jìn)行采樣。因此，在 99.95% 的時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)以靜態(tài)模式運(yùn)行。不考慮RF電路可能具有完全不同的占空比，全功率模式下的主電路將消耗11mA。在靜態(tài)期間，主電路的功耗為5.5μA。因此，有源電路每秒平均消耗的電流為11mA X 0.0005 = 5.5μA，這意味著平均電流消耗為11μA。 請(qǐng)注意，任何高于 10μA 的靜態(tài)電流都會(huì)開(kāi)始影響系統(tǒng)電池壽命。因此，在 1500μA 電流消耗范圍內(nèi)，每增加 μA 電流，一年內(nèi)就會(huì)影響 <>mAhr 的電池壽命。

圖1.典型的現(xiàn)代煙霧探測(cè)器
框圖

*DC/DC 功耗基于 50mA 的輸出電流，效率為 ~77%。

毫微功耗技術(shù)還通過(guò)關(guān)閉系統(tǒng)內(nèi)電路的能力提供了優(yōu)勢(shì)。在這種類型的架構(gòu)中，電池監(jiān)控和實(shí)時(shí)時(shí)鐘等關(guān)鍵組件保持開(kāi)啟狀態(tài)。微控制器和RF電路等主要功耗者要么關(guān)閉，要么進(jìn)入最低功耗模式。圖2中的電路示出了用于監(jiān)視電池電壓的毫微功耗窗口比較器。比較器提供有價(jià)值的安全功能，僅在電池高于或低于允許電壓時(shí)發(fā)送警報(bào)。系統(tǒng)微控制器不必工作，除非它收到來(lái)自比較器的報(bào)警，該比較器的典型電流為900nA。從本質(zhì)上講，這變成了一種智能能源架構(gòu)：它盡可能多地保存能源，同時(shí)剝離必須始終保持開(kāi)啟的功能的特定電路。

圖2.毫微功耗窗口比較器，用于監(jiān)視電池電壓

展示毫微功耗技術(shù)優(yōu)勢(shì)的最后一個(gè)示例是來(lái)自壁式電源適配器或電池的電源，通常稱為ORing二極管電源。在這種電源中，優(yōu)秀的設(shè)計(jì)人員會(huì)放置一個(gè)肖特基二極管與電池電源串聯(lián)。這種方法限制了壓降，從而限制了二極管兩端的功率損耗，同時(shí)仍然保護(hù)了電路。例如，新型MAX40200理想二極管電流開(kāi)關(guān)在承載85A電流時(shí)壓降低至1mV，在載波43mA電流時(shí)典型降500mV。這種性能比典型的肖特基二極管高出兩到四倍，巧妙地節(jié)省了數(shù)十到數(shù)百毫瓦的電池電量。

就像我們的咖啡示例一樣，智能能源架構(gòu)正在發(fā)生變化。各種子系統(tǒng)基本上與中央處理器斷開(kāi)連接并定期檢查，從而大大降低了能耗。憑借先進(jìn)的處理和模擬架構(gòu)，這些構(gòu)建模塊現(xiàn)在消耗的功耗前所未有。然而，新的智能能源運(yùn)動(dòng)不僅僅是能源測(cè)量和通信。新的智能能源包括一個(gè)智能系統(tǒng)架構(gòu)，結(jié)合先進(jìn)的組件，共同提高系統(tǒng)電池壽命和可靠性，在此過(guò)程中解鎖新的應(yīng)用。

審核編輯：郭婷