物联网低功耗设计BOM中不得不知的五条“军规”

ARM

不知不觉，我们已经处于物联网的汪洋大海之中，大家公认的说法是，到2020年全球物联网设备接入总数将达到300-500亿。面对这海量的设备，维护变成一个繁重的任务，这就要求互联网设备可靠“皮实”的同时，功耗足够低，一块电池（或者使用能量收集技术）能撑足够久。因此“低功耗”三个字在物联网用户端设备的设计中，一直被摆在很高优先级的位置上。这也让开发者在元器件的选型上小心谨慎，铭记下面这些不得不守的“军规”。


图1，物联网用户端设备系统框图第一条：用一颗低功耗的MCU
从物联网设备的系统框图上来看，MCU处于核心的地位；而从功耗的角度来看，它也是耗电最大的“电老虎”。8-bit MCU功耗固然低，但毕竟性能有限，所以在物联网设备中32-bit MCU上位成了主角。目前在32-bit通用MCU领域，ARM Cortex-M系列架构的CPU内核占主流，从M0、M0+、M3、M4到M7，序号越大性能越高，功耗也越大。所以根据物联设备的应用场景，选择一颗功耗性能比“刚刚好”的CPU内核是首要准则。
不过决定MCU整体功耗的因素很多，除了CPU内核自身的功耗，至少还要考虑三个因素：是否有多样的电源管理模式设定，可以让CPU内核和无需工作的电路处于休眠状态；是否有灵活的时钟管理系统，按需对各个功能电路进行调度；是否有更智能而低功耗的外围电路，能够帮助CPU内核分担工作。其实这些因素核心的思路就是：无事休眠、按需激活、避免空耗。
要想全面了解MCU低功耗性能、做出正确判断，除了吃透器件的Datasheet、经验设计积累外，目前也有第三方的评测可供参考，比如EEMBC联盟为衡量嵌入式微控制器低功耗特性专门设计的ULPBench评分。虽然有人认为这一评分的结果值得商榷，但仍然不失为一把衡量MCU整体低功耗特性可参考的标尺。


表1，ULPBench中业界主流MCU产品得分第二条：考虑集成化的传感器
在传感器的选型上，开发者通常有两种选择：分立的传感器或集成化的传感器。单独来看，前者在成本和功耗上都更有优势，不过从系统整体功耗上看，集成传感器件不失为一种不错的选择。因为在集成传感器件中，通常会将信号调理电路（如ADC）整合进去，将预处理后的信号通过SPI或I2C等数据接口直接传给MCU，减少MCU数据处理的负荷。有些传感器件还会集成信号处理电路，如一个低功耗的CPU核，构成功能更完整的传感器中枢，简单的计算自己做，进一步减少对主MCU的“打扰”。这些策略都会对系统总体能耗的降低有帮助。
第三条：选择合适的无线互连协议
影响物联网产品功耗的另一个重要因素就是无线互连功能。目前市场上有太多的无线互连协议可供选择，从私有的Sub-GHz协议，到众所周知的Wi-Fi、BLE、ZigBee等开放标准，以及近年来快速发展的低功耗广域网LPWAN协议（如LoRa、Sigfox、NB-IoT等）。无线通信的功耗会与网络的规模、拓扑结构、可靠性、数据吞吐量等因素相关。通常来说，拓扑结构越复杂、数据吞吐量越大的网络，功耗也会更大，比如：星形WiFi网络要比点对点通信的Sub-GHz无线通信功耗要高很多；同样采用ZigBee协议，星形网络肯定比Mesh网络能耗更低。
因此物联网设备无线互连协议的选择与应用场景关联度极高，开发者需要从现实的需求以及未来的扩展性方面通盘考虑，确定适合的无线技术，在此基础之上再选择低功耗性能最优的元器件。
第四条：选用耗电少的电源管理器件
电源管理器件是物联网系统中必不可少的部分。不论是选用LDO线性稳压器还是DC-DC转化器，抑或是能够提供多轨电压输出的PMIC，高效率是当然的首选特性。此外，与物联网产品配套的电源管理器件，特别在与能量收集技术相关的应用中，自身还需要具备低静态电流的特性——如ti等公司相关产品标称的静态电流值可达到300nA左右——尽可能降低设备的待机功耗。
第五条：做好安全性功耗预算
2016年10月网络黑客劫持了摄像头等大量物联网终端设备，向北美网络发起了大规模DDoS攻击，这再次提醒人们物联网设备端的安全问题不容忽视。而对物联网设备来说，增强安全功能也意味着更大的功耗，比如如果MCU的内部或外部没有配置加密硬件，加解密工作就不得不耗费MCU的计算资源，产生更多的功耗。使用更可靠的非对称加密算法，与对称加密算法相比也需要更多的功耗。因此安全性关联的功耗预算，也是必须考量的部分。
将以上几个因素串联起来，我们才可以为物联网设备端的功耗描绘出一幅完整的图景。在此基础之上，锱铢必较，精心雕琢出禁得住市场和用户考研的低功耗产品。


表2，主要无线互连协议比较：死磕物联网低功耗设计，BOM中不得不知的五条“军规”

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