隨著我們?nèi)粘Ｉ钣闷纷兊迷絹碓?a href='http://www.delux-kingway.cn/v/' target='_blank' class='arckwlink_none'>智能，設(shè)???工程師需要找到解決此類設(shè)備供電問題的可行途徑。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考慮電源問題。本文探討三類應(yīng)用的供電問題，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。 萬物皆智慧 并不是說您家的大門有大腦控制。但如果您家的大門有辦法說話，它一定有很多事情告訴您。它能告訴您門是開著的還是關(guān)著的、鎖了沒有；它還能告訴您外邊的天氣怎么樣；它能告訴您門外是誰。如果大門能夠聽懂您說話，則能???得更多：根據(jù)您的命令鎖門或開門、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)。但目前許多東西沒有辦法分享其信息或聆聽我們的請求 —— 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碇腔鄣?a href='http://www.delux-kingway.cn/v/tag/117/' target='_blank' class='arckwlink_none'>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；大電池可能會壓垮許多應(yīng)用...有誰希望家門口放置一個突兀的電池包？并且太陽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)隱藏于無形的設(shè)想，隱形智慧對于IoT應(yīng)用具有特別的意義。 隱形智慧的第一條原則是，通過技術(shù)手段挖掘事物的智慧時，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鹗滞髞砜磿r間，但同時能夠看到其他更有意義的數(shù)據(jù)，供我們感興趣時進(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，智能床會發(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；如果自動百葉窗的電機(jī)個頭較大，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，并且不會改變您與之交互的方式或關(guān)于對磚塊的認(rèn)識。但是，如果花重金購買從房子上掉下來時會向您發(fā)短消息的磚塊，真的具有投資回報（ROI）嗎？ 接下來我們討論隱形智慧的三條原則，以及與我們最初的問題：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?？紤]窗外美景窗戶傳感器的電池阻擋：人們會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，一旦新鮮勁過去，您可能就再也不用了。 ● 數(shù)據(jù)價值：與所有業(yè)務(wù)一樣，IoT設(shè)備存在固有的投入回報（ROI）問題，“回報”必須超過“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“回報”。電池更換也會提高“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并不局限于某個片刻或某個市場，而是越來越多設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的趨勢以及支撐這些設(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”沒有太大區(qū)別——我們在晚上一般會摘下手表，并且充電（我們對手機(jī)就是這么做的），并不會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，智能手表能夠提供更多特性和數(shù)據(jù)，且其尺寸不會超過傳統(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距離就足夠了，但現(xiàn)在他們會計(jì)算卡路里、分析多個健康參數(shù)、識別多種不同的運(yùn)動類型，并且與智能手機(jī)集成，實(shí)現(xiàn)即時通知。 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：對數(shù)據(jù)的日益渴求。幾年前僅僅整合了GPS功能，現(xiàn)在則集成多個光傳感器來監(jiān)測心率和脈搏血氧，運(yùn)動傳感器填補(bǔ)了GPS無法工作時的空白，并可識別其他運(yùn)動，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)。但是越來越多的傳感器和越來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)信息的同時有效延長設(shè)備工作時間？ 電源與現(xiàn)實(shí)世界 我們通?？紤]IoT應(yīng)用的三個關(guān)鍵能力：檢測（或控制）、處理和通信。但往往忽略了供電問題。 許多IoT設(shè)備可插入市電——智能廚房器具或電動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題，甚至開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有連線的無線供電設(shè)備獲得數(shù)據(jù)時，才能夠?qū)崿F(xiàn)IoT的真正愿景——從任何地方獲得有價值的數(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能供電的價值。 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)備的價值足以值得更換電池。為了最大程度地延長設(shè)備壽命或兩次充電之間的時間間隔，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，或需要多個不同電源軌的芯片。針對每路電源使用一個電池顯然沒有意義，工程師需要確定如何將單個電池電壓轉(zhuǎn)換為所需的多個電源軌。還需要了解實(shí)際電池的特性：例如，電池在整個壽命期間產(chǎn)生的電壓將發(fā)生變化，一般隨電池放電而降低。 可利用簡單、廉價的線性穩(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。 一般會設(shè)計(jì)開關(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，來自于開關(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，開關(guān)模式電源的優(yōu)勢是電壓轉(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，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 我們不斷聽到說微控制器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)手冊的幾行數(shù)據(jù)（以及一定程度的驗(yàn)證）來選擇功耗適當(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，難以簡單地根據(jù)數(shù)據(jù)手冊的1-2行數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇。