制定確保產(chǎn)品達(dá)到其目標(biāo)使用壽命的能源預(yù)算可能有點像“魔法”，但有一些相對簡單的技術(shù)可以幫助工程師在性能和功耗之間取得適當(dāng)?shù)钠胶?。第一部分本系列文章簡要介紹了低功耗無線節(jié)點中常見的系統(tǒng)元件，并研究了最常用的能量收集和電池元件的容量和特性。第二部分將提供一種簡單的方法來開發(fā)一階能量預(yù)算，可用于確保預(yù)期的能量收集系統(tǒng)或電池的尺寸適合設(shè)計。隨后將采用一些策略來微調(diào)設(shè)計以延長使用壽命或適應(yīng)可用電源的限制。

　　定義您的要求

　　系統(tǒng)及其能量預(yù)算都始于對其預(yù)期任務(wù)、將執(zhí)行的活動以及所需使用壽命的全面定義（圖 1）。需要考慮的一些重要參數(shù)包括：

　　服務(wù)環(huán)境——系統(tǒng)的使用壽命和工作溫度范圍是多少？

　　采樣模式/采樣率——設(shè)計應(yīng)該監(jiān)控哪些模擬和數(shù)字輸入，以及多久監(jiān)控一次？哪些輸入是按計劃進行采樣的，哪些輸入是由外部刺激觸發(fā)的？

　　收集了多少數(shù)據(jù)以及對數(shù)據(jù)應(yīng)用了多少本地處理？

　　系統(tǒng)是否與其他節(jié)點或主機節(jié)點通信？如果是這樣，是通過有線還是無線鏈接？

　　系統(tǒng)多久進行一次通信，在這個過程中交換了多少數(shù)據(jù)？

　　根據(jù)這些要求，工程師可以使用低功耗 MCU 和應(yīng)用所需的任何附加 LDO、RTC/定時器、I/O 或通信電路來開發(fā)初步設(shè)計。

　　圖 1：確定嵌入式系統(tǒng)各種操作模式的相對功耗是開發(fā)和管理其能量預(yù)算的重要部分（由 Silicon Labs 提供）。

　　例如，我們將使用基于 Microchip Technologies 的 16 位PIC16LF1826 MCU 的相對簡單的數(shù)據(jù)記錄傳感器（圖 2）。系統(tǒng)規(guī)范要求它每 100 毫秒采樣一次。MCU 在其 RAM 中采集 32 個樣本后，將數(shù)據(jù)寫入外部 EEPROM。系統(tǒng)在樣本組之間等待 50 秒，并用 5 毫秒存儲收集到的數(shù)據(jù)。

　　圖 2：基于 PIC16 MCU 的簡單數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖（由 Microchip Technologies 提供）。

　　定義你的電源狀態(tài)

　　要測量系統(tǒng)的最大動態(tài)功率，請使用示波器監(jiān)測與電源串聯(lián)的分流電阻（通常為 10-100 Ω）兩端的電壓?？梢允褂靡粋€簡單的程序使系統(tǒng)進入活動狀態(tài)，該程序會在其操作的最活躍階段使用 I/O、內(nèi)存和其他外圍設(shè)備。如果這不可用，則可以通過將每個組件的數(shù)據(jù)表上列出的工作電流額定值加上終端電路或電容負(fù)載施加的任何重要負(fù)載相加來確定相對準(zhǔn)確的估計值。

　　如果系統(tǒng)將使用高阻抗電池（例如紐扣電池）或能量收集電源（通常將其電力存儲在薄膜電池中）供電，則了解系統(tǒng)的最大動態(tài)電流尤為重要。這是因為如果系統(tǒng)的最大電流過高，會導(dǎo)致電源內(nèi)部損耗過大。在許多情況下，可以降低系統(tǒng)時鐘速度、收發(fā)器數(shù)據(jù)速率或依次激活和停用各種功能塊，以將峰值電流保持在電源限制范圍內(nèi)。

　　還必須定義系統(tǒng)的靜態(tài)電流消耗。因為它通常在幾十或幾百 nA 的范圍內(nèi)，實際測量可能很困難，但可以根據(jù)處理器和任何其他元件（通常是外部 RTC、LDO 和傳感器）數(shù)據(jù)表中的空閑電流規(guī)格做出有用的估計電子設(shè)備），在系統(tǒng)處于“深度睡眠”模式時將保持活動狀態(tài)。

　　建立電源配置文件

　　系統(tǒng)電源配置文件提供了一個結(jié)構(gòu)來查看支持系統(tǒng)的每個操作狀態(tài)（包括睡眠/待機）所需的能量以及它們在每個狀態(tài)中花費的時間。它允許設(shè)計人員選擇基準(zhǔn)電源，并將優(yōu)化工作集中在系統(tǒng)最大的“能量接收器”上。這個相當(dāng)簡單的過程涉及列出設(shè)計的操作狀態(tài)/模式，以及每種模式的功耗和相對持續(xù)時間。例如，圖 2 中系統(tǒng)的操作模式如下表所示（圖 3）。此處顯示的示例沒有數(shù)據(jù)收發(fā)器，因此它只有幾種模式（即睡眠、初始化、讀取傳感器、處理數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)等）。如果附加 I/O 元素，則可以將附加模式合并到配置文件中，

　　無論它有多少模式，電源配置表都是由以下人員創(chuàng)建的：

　　列出支持每種狀態(tài)/模式所需的各個系統(tǒng)元素、每個元素的功耗以及它在給定時間段內(nèi)處于該狀態(tài)的相對時間量。如果有可用的工作原型，則可以根據(jù)經(jīng)驗得出功率水平。如果硬件不可用，可以根據(jù)組件數(shù)據(jù)表和系統(tǒng)運行要求進行估算；和

　　通過將其工作功率乘以在該模式下花費的時間來計算每個狀態(tài)/模式下消耗的總能量。

　　圖 3：系統(tǒng)電源配置表（由 Microchip Technologies 提供）。

　　系統(tǒng)功率曲線的數(shù)據(jù)使計算系統(tǒng)在其活動模式下的平均電流變得容易。這是通過將每個操作模式期間消耗的總電荷計算得出的，即 （3200 ms x 0.8 μA） + （0.32 ms x 0.8 μA） + 1.28 ms x 166.5 μA） 并將其除以其模式時間的總和 （ 3206.6 ms），平均電流為 2.788 μA。系統(tǒng)功率曲線還清楚地將縮放操作標(biāo)識為峰值電流為 1.3 mA 的模式（圖 4）。

　　圖 4：應(yīng)用程序電源配置文件的可視化表示（由 Microchip Technologies 提供）。

　　注意事項

　　盡管這種技術(shù)很有用，但重要的是要了解它計算應(yīng)用程序的平均電流，假設(shè)它的喚醒活動遵循一個相當(dāng)可預(yù)測的模式，該模式主要由來自其 RTC、板載計時器或其他定期發(fā)生的提示確定事件。如果應(yīng)用程序的喚醒時間和活動受到非確定性外部刺激的嚴(yán)重影響，例如運動傳感器、模擬比較器輸出或與其他傳感器網(wǎng)絡(luò)元素的交互，則建議根據(jù)驅(qū)動的使用場景開發(fā)功率配置文件系統(tǒng)具有比典型應(yīng)用程序中預(yù)期的更多的活動。在大多數(shù)情況下，這仍然意味著 MCU 將有 99.9% 或更多的時間處于睡眠或低功耗待機模式。

　　還應(yīng)該注意的是，這種簡化的方法沒有考慮“喚醒時間”，即 MCU 從睡眠模式返回時汲取功率但其時鐘振蕩器還不夠穩(wěn)定以允許執(zhí)行指令的時間段（圖 5）。根據(jù)特定的 MCU 和使用的睡眠模式，這可以在 50 ns 和 1 ms 之間，并且可以占活動周期短的系統(tǒng)中功率預(yù)算的相當(dāng)一部分。但是，這通常只有在系統(tǒng)的喚醒時間超過其活動周期長度的 1/10-1/20 時才值得關(guān)注。

　　圖 5：在喚醒期間，MCU 在等待其時鐘振蕩器充分穩(wěn)定以允許執(zhí)行程序代碼時消耗功率（由 STMicroelectronics 提供）。

　　能源考慮

　　構(gòu)建的一階模型將允許工程師將系統(tǒng)的平均電流消耗與特定能量收集或電池電源的可用能量進行比較。請記住，能量收集系統(tǒng)中的電池尺寸限制需要創(chuàng)造力和創(chuàng)新，以最大限度地提高電源效率（請參閱 TechZone 文章“能量收集設(shè)計中的最佳電源管理技術(shù)”）。

　　根據(jù)所需的使用壽命和功率要求，工程師可能計劃用能量收集解決方案替換的大多數(shù)電池系統(tǒng)都使用標(biāo)準(zhǔn)堿性或鋰電池，有多種標(biāo)準(zhǔn)外形尺寸/容量可供選擇（圖 6）。

　　圖 6：常見電池化學(xué)成分的特性。

　　電池實際可以提供的實際電量取決于許多因素，包括工作溫度和放電速度。由于低功耗嵌入式系統(tǒng)的電流要求相對較低，因此通常可以安全地假設(shè)大部分或全部電池的理論容量都是可用的。對于像 Energizer 3-315這樣的堿性 AA 電池，這通常是 2500-2900 mAh，對于像Energizer 3-3121這樣的 AAA 電池，這通常是 1000-1200 mAh 。

　　鋰基電池的容量略高，壽命顯著延長（長達(dá) 15 年），溫度范圍更廣。紐扣鋰電池可提供 30 mAh （CR1025） 至 600+ mAh （ CR2450 ） 的任何電量，而 Energizer L92 AAA電池可提供 1200 mAh。

　　平均可用電流 （I A ）可以使用以下公式計算：

　　I A =（總?cè)萘?- 保證金）/總小時數(shù)（服務(wù)年限 x 365x24）

　　注意 - 如果系統(tǒng)在中等溫度范圍內(nèi)（通常在 0 到 25 攝氏度之間）運行，則等式中的裕度因子 = 0。對于在較溫暖的環(huán)境中運行，電池容量應(yīng)根據(jù)制造商的數(shù)據(jù)進行降額。

　　例如，如果 CR2450 紐扣鋰電池的使用壽命為 12 年，則它可以支持高達(dá) 630 （12x365x24）mA （5.99 μA） 的平均負(fù)載。相比之下，典型的 AA 鋰電池的保質(zhì)期為 15 年，可支持 23.78 μA 的平均負(fù)載。

　　識別和調(diào)整主要的電源接收器

　　您構(gòu)建的電源配置文件現(xiàn)在可用于確定降低系統(tǒng)功耗以延長其使用壽命的機會。由于典型的遙感節(jié)點大部分時間都處于待機/滲透模式，因此通常是通過采用以下策略開始優(yōu)化過程的好地方：

　　只要可行，請使用睡眠/待機模式，該模式允許使用片上硬件來執(zhí)行自主數(shù)據(jù)收集和存儲，而無需喚醒 MCU。但是，如果數(shù)據(jù)收集周期不頻繁，則在兩次讀數(shù)之間將系統(tǒng)置于完全斷電模式仍可能會節(jié)省更多能量。

　　對于某些處理器，例如 Energy Micro 的 Gecko 系列和 Silicon Labs C8051F91x 系列，值得考慮在保持 MCU 的 RAM 內(nèi)容完整的待機狀態(tài)和低功耗睡眠狀態(tài)之間的權(quán)衡。通常，RAM 友好型睡眠模式消耗的能量低于從冷啟動恢復(fù)內(nèi)存所需的能量。

　　工程師的功率配置文件還應(yīng)揭示主動模式操作的一個或多個方面，這些方面可以進行功率優(yōu)化。一些最常見的主動模式能量管理策略包括：

　　仔細(xì)考慮系統(tǒng)時鐘速度對功耗的影響。通常，以更快的速度運行 MCU 可以讓其快速執(zhí)行代碼并在睡眠/待機模式下花費更多時間，從而節(jié)省能源。

　　要小心，因為如果 MCU 必須經(jīng)?；〞r間等待其他系統(tǒng)元素（I/O、A/D 轉(zhuǎn)換器、內(nèi)存等）完成其任務(wù)，則可能會失去任何節(jié)能效果。對于涉及訪問非易失性存儲器（尤其是串行 EEPROM）的操作尤其如此。這些設(shè)備的讀/寫周期的延遲很容易使 MCU 保持清醒的時間比工程師或系統(tǒng)電池想要的時間長得多。

　　對于這些“長帳篷桿”操作，尋找可以同時運行的其他操作，并在可能的情況下使用專用外設(shè)在 CPU 被占用時執(zhí)行功能。

　　由于無線電系統(tǒng)通常比 CPU 更耗電（對于 Rx 功能通常在 10 到 20 mA 的量級，對于 Tx 甚至更多），通常最好使用能夠可靠支持的最快數(shù)據(jù)速率系統(tǒng)的鏈路預(yù)算。但是，請注意保持在許多能量收集源和一些電池的有限電流能力范圍內(nèi)。

　　概括

　　本文只能作為對能量收支藝術(shù)和科學(xué)的介紹。要了解更多信息，下面提供的參考資料是一個很好的起點。

　　參考

　　Microchip 應(yīng)用筆記 AN01416a——“低功耗設(shè)計指南”

　　Microchip 應(yīng)用筆記 AN1267——“nanoWatt和 nanoWatt XLP 技術(shù)：Microchip 低功耗器件簡介”。

　　Silicon labs 白皮書——“為您的嵌入式應(yīng)用選擇最佳電池”

　　STMicroelectronics – 技術(shù)文章 #TA0342 –“低功耗 MCU 的準(zhǔn)確功耗估算”