智能设备三类应用的供电问题分析

　　万物皆智慧
　　并不是说您家的大门有大脑控制。但如果您家的大门有办法说话，它一定有很多事情告诉您。它能告诉您门是开着的还是关着的、锁了没有；它还能告诉您外边的天气怎么样；它能告诉您门外是谁。如果大门能够听懂您说话，则能做得更多：根据您的命令锁门或开门、使您能够与门外等候的人讲话。
　　我们周围的东西以及与之交互的东西都在变得智能，所以我们希望将其连接到互联网。但目前许多东西没有办法分享其信息或聆听我们的请求 —— 技术不足以支撑将任何拥有宝贵数据的东西都联网，有可能不值得或不切实际。能够为我们周围事物带来智慧的传感器和执行器需要克服巨大的供电挑战。比如，大门传感器的供电问题将限制其普及；频繁更换电池造成设备（或智能管理）不可用；大电池可能会压垮许多应用。..有谁希望家门口放置一个突兀的电池包？并且太阳能收集能量也不是始终可用的。
　　我们周围充满了隐形智慧，在等待激活。但我们必须首先搞清楚如何为智能设备供电。
　　
　　图1. 包括智能厨房器具在内的IoT设备往往需要高效供电才能发挥作用

　　什么是隐形智慧？
　　许多有趣的物联网（IoT）应用都遵循隐形智慧的原则。最好的技术隐藏于无形的设想，隐形智慧对于IoT应用具有特别的意义。
　　隐形智慧的第一条原则是，通过技术手段挖掘事物的智慧时，不应从根本上改变我们与之交互的方式。我们仍然在智能温度监控器上设置温度，但温度监控器开始根据大量条件学习我们的喜好；我们仍然抬起手腕来看时间，但同时能够看到其他更有意义的数据，供我们感兴趣时进一步了解。
　　隐形智慧的第二条原则，我们应该注意不到智能设备与其对应的“傻瓜”版本之间的区别，所以我们称其为隐形。加热线圈被激活时，智能床会发出嗡嗡声，这有悖于床的初衷；如果窗户传感器需要较大的电池，因此阻挡了外部的光线，就失去了窗户的意义；如果自动百叶窗的电机个头较大，就破坏了优美的风景。
　　隐形智慧的第三条原则是具备价值的数据。与“傻瓜”版本相比，具有隐形智慧的东西更昂贵。智能砖块可能非常容易使用，并且不会改变您与之交互的方式或关于对砖块的认识。但是，如果花重金购买从房子上掉下来时会向您发短消息的砖块，真的具有投资回报（ROI）吗？
　　接下来我们讨论隐形智慧的三条原则，以及与我们最初的问题：如何为IoT供电？
　　● 交互：电池或其他能量收集不能影响设备的使用。需要摇动手柄才能操作智能温度监控器？智能手表上的电池能把手臂压弯？太阳能面板妨碍您操作智能锁？我们不应只考虑这些电源带来的物理障碍。毕竟，电池充电通常也不是我们与大多数设备交互的一部分。虽然可能必须为某些电池重复充电，但设计师应考虑我们与设备的自然交互。需要每天充电的智能门铃不可能成为我们日常生活的必需品。
　　● 设备外观：这里我们考虑美观和实用性。考虑窗外美景窗户传感器的电池阻挡：人们会直接废弃窗户触感器。如果因为电池的原因造成智能手环笨重，一旦新鲜劲过去，您可能就再也不用了。
　　● 数据价值：与所有业务一样，IoT设备存在固有的投入回报（ROI）问题，“回报”必须超过“投入”。不合理的能量收集电路可能增加较高成本，导致“投入”超过“回报”。电池更换也会提高“投入”，不仅包括电池成本，也包括客户体验等指标。

　　可穿戴设备引领潮流
　　IoT并不局限于某个片刻或某个市场，而是越来越多设备联网的趋势以及支撑这些设备的技术。我们已经能够在大量设备部署中看到IoT的身影；智能电表和可穿戴健身设备是其中两个非常流行的例子。就后者而言，我们已经看到有产品既成功解决供电问题，又成功展示了“隐形智慧”。
　　健身手表等商业上非常成功的可穿戴产品完全遵循以上三条原则。与传统手表相比，我们与健身手表的正常交互方式没有什么不同——我们仍然能够一目了然地获得所需的信息，尽管我们可能需要学习更多的复杂操作才能获得额外的数据和特性。许多健身手表确实需要每天充电，但这与我们与手表的“正常交互”没有太大区别——我们在晚上一般会摘下手表，并且充电（我们对手机就是这么做的），并不会真正破坏我们的交互。
　　健身手表在很大程度上保持了普通手表的外观。得益于低功耗技术优势，智能手表能够提供更多特性和数据，且其尺寸不会超过传统手表。
　　健身手表也不断提供宝贵的数据。几年之前，跑步者或骑车人知道跑出了多长距离就足够了，但现在他们会计算卡路里、分析多个健康参数、识别多种不同的运动类型，并且与智能手机集成，实现即时通知。
　　除遵守隐形智慧的原则之外，健身手表也展示了IoT领域的另一趋势：对数据的日益渴求。几年前仅仅整合了GPS功能，现在则集成多个光传感器来监测心率和脉搏血氧，运动传感器填补了GPS无法工作时的空白，并可识别其他运动，以及高度计量等。可穿戴设备也拥有多种输出数据的途径：无线接口和彩色图形屏幕代替了专用线缆连接和单色文字屏幕。
　　健身手表等可穿戴应用引领了新的潮流，我们看到大量联网设备正在不断地增加传感器，帮助提供更多数据。但是越来越多的传感器和越来越多的连接以及算法意味着更大功耗，需要更大的电池或频繁的充电，这绝对不是好的解决方法。如何在看似不可能的情况下管理其功耗预算：在提供更多数据信息的同时有效延长设备工作时间？

　　电源与现实世界
　　我们通常考虑IoT应用的三个关键能力：检测（或控制）、处理和通信。但往往忽略了供电问题。
　　许多IoT设备可插入市电——智能厨房器具或电动工具往往需要墙上电源插座。这种情况下的功耗可能不是问题，甚至开辟了更多的通信选项，例如电力线通信。但我们只有摆脱电源线并从没有连线的无线供电设备获得数据时，才能够实现IoT的真正愿景——从任何地方获得有价值的数据。
　　能量收集是非常好的想法，但由于收集能量的自然属性，在可用范围以外的可行性不太大。太阳能可以为许多应用产生充足能量，但有多少应用能够在天气变差时停工一天或一周？有多少应用能够在晚上不工作？您可以利用可充电电池填补这些空白，但在一定程度上也失去了太阳能供电的价值。
　　事实上，大多数IoT应用都将依赖于某种形式的电池。即使使用能源收集，仍然需要可充电电池，许多应用还会依赖一次性电池，要么在电池使用寿命之后将设备废弃，要么设备的价值足以值得更换电池。为了最大程度地延长设备寿命或两次充电之间的时间间隔，设计工程师必须高效利用电池。

　　高效供电
　　大多数嵌入式应用使用多片IC，各个IC都需要电源。许多情况下，这些IC可能需要多路不同的电源。您有可能使用工作在1.8V、3.3V、1.2V供电的不同芯片，或需要多个不同电源轨的芯片。针对每路电源使用一个电池显然没有意义，工程师需要确定如何将单个电池电压转换为所需的多个电源轨。还需要了解实际电池的特性：例如，电池在整个寿命期间产生的电压将发生变化，一般随电池放电而降低。
　　可利用简单、廉价的线性稳压器将电池电压转换为必要的供电电压。实际上，许多IC可能集成了线性稳压器，以简化外部电路设计。微控制器内部往往使用多路不同电压。I/O引脚可能工作在3.3V，而处理器核可能工作在1.8V——这种情况下，微控制器可能使用线性稳压器，工程师只需要为微控制器提供3.3V电压，该电压将在内部被稳定至1.8V。
　　尽管线性稳压器能够提供极低噪声，这对于许多敏感的模拟电路至关重要，但由于线性稳压器功耗较大，效率非常低。
　　一般会设计开关电源（SMPS），高效地为嵌入式应用供电。这些设计通常比较复杂，且成本更高。如果管理不合理，来自于开关元件的噪声可能干扰其他电路。然而，与线性稳压器相比，开关模式电源的优势是电压转换效率可高达90%或更高。
　　这意味着什么？以某款微控制器为例，其工作电压为1.8V，耗流为100μA @ 1MHz，系统供电电池为3.3V电压。如果使用线性稳压器，从3.3V稳定到1.8V，消耗一定比例的电流，尽管微控制器功耗为180μW，但线性稳压器额外消耗了150μW。
　　
　　图2、线性稳压器的功耗
　　
　　图3、开关稳压器功耗
　　现在，假设在相同情况下使用效率为95%的SMPS。此时，微控制器的功耗仍然为180μW，但电源仅额外消耗9μW，总功耗为189μW，而非330μW。

　　考虑功率而非电流
　　大家都在谈论节能话题。我们甚至愿意为较低功耗应用支付更多费用。供电公司根据我们使用的电量收取电费。没有人关心设备消耗的电流是多少，因为如果不知道设备的工作电压，这种衡量手段是没有意义的。那么微控制器为什么采用每兆赫兹微安（μA/MHz）作为常见的效率指标呢？更合适的指标应为每兆赫兹微瓦（μW/MHz）。
　　考虑以下两款微控制器：微控制器A工作在60μA/MHz，3.3V供电；微控制器B工作在100μA/MHz，1.2V供电。
　　
　　图4、功率 = 电流x电压
　　我们不断听到说微控制器A更好，因为其耗流更小，仅为60μA/MHz，而非100μA/MHz。但是，如果考虑功耗（假设微控制器工作在1MHz），即使因为SMPS将效率提高了5%，微控制器B的功耗也远远小于微控制器A。
　　选择低压微控制器
　　有些产品可根据数据手册的几行数据（以及一定程度的验证）来选择功耗适当的产品。但微控制器则比较棘手——作为嵌入式系统的大脑，它可能是电池的用电大户。并且也像大脑一样，非常复杂，难以简单地根据数据手册的1-2行数据进行选择。
　　我们在上文中讨论了与电源电压相关的“μW/MHz”指标，尽管该指标由于其简单性而非常具有吸引力，但该指标并不能准确表示微控制器在具体应用中的表现。您的应用很可能需要使用外设以及运行相应的代码，但在进行“μW/MHz”评估时，微控制器很可能在执行简单的循环代码。“μW/MHz”指标也许可以作为筛选的第一关——如果某款产品明显比其他产品差，可能就不值得对其做进一步检查；但是如果两款产品相对接近（可能彼此之间的差距为25%-50%），可能就有必要进一步深挖。
　　在确定应用的工作寿命方面，低功耗休眠模式也非常重要。在此类模式下，微控制器待机，芯片中大多数功耗较大的电路不消耗功率。但即使低功耗休眠模式也非常复杂，许多芯片支持多种低功耗休眠模式。在选用这些低功耗模式时，有许多重要因素需要考虑：
　　● 能够保持多大的存储器有效？在低功耗休眠模式下能够保持SRAM有效可能非常重要，否则，微控制器就不能记录数据、操作系统状态、网络状态、中间计算结果等，或者其他对于应用非常关键的数据。简单的应用可能无需记忆此类数据，但以超声水表等应用为例：一般每秒仅采集几次流量测量数据，并且每个小时或每天才需要报告几次数据。为了提高系统精度，补偿算法可能需要较大的数据存储容量——如果微控制器不能保存相当数量的数据，就需要在每个休眠周期开始之前将数据储存到EEPROM或其他非易失存储器。
　　这种存储器需要大量功耗来储存中间结果，而中间结果本身对最终应用没有什么意义。或者可以想象一下运行操作系统的更加复杂的应用——在低功耗模式下保持较大容量的SRAM，意味着微控制器从休眠模式唤醒时不需要浪费时间和功耗重新进行初始化操作。注意，与较小容量的SRAM相比，保持较大有效SRAM通常消耗较大的休眠模式电流（假设其他参数相同）。
　　唤醒时间？微控制器的时钟会消耗大量功率。休眠模式下，往往会关闭较高频率的时钟，以便节能。但是在唤醒时，这些时钟需要时间达到稳定——在此期间，微控制器不能执行有用的工作，但开始消耗功率。较快的唤醒时间能够最大程度降低从低功耗模式到有效模式之间转换的功率。此外，为了响应事件，应用可能也要求快速唤醒。被串行接口上出现的数据唤醒时，微控制器必须足够快地唤醒，以正确识别输入数据位。
　　● 有些微控制器能够在不唤醒的情况下执行某些操作。假如某个应用希望每秒唤醒100次，读取SPI控制的模/数转换器（ADC）的16位数据。粗鲁的方法是：唤醒微控制器、激活SPI接口、读取数据、写存储器，然后返回休眠状态。该功能无疑重要，但对于能够将看似随机噪声的信号转化成医疗诊断信息的高性能32位微控制器，频繁唤醒其工作有些大材小用。与激活微控制器核相比，有些微控制器可以选择采用简单的状态机来处理此类例行任务——在低功耗模式下，高速时钟可能仍然有效，但微控制器保持休眠，因为我们不需要其全速运转。存储器直接访问（DMA）就是其中一个简单例子（无需微控制器介入即可将数据从一个位置移动到另一个位置），但更智能的选项是执行可编程操作，例如“每秒从SPI连接的ADC读取100次数据并存储到SRAM”，而功耗仅为主微控制器的几分之一。
　　● 占空比如何？有些应用对低功耗休眠模式可能不十分关注。例如有些应用需要连续监听音频或以很高频率读取传感器，需要保持“不间断工作”。“占空比”是指应用或微控制器处于有效状态并执行相应工作的时间所占比例。在以下两种场景下，微控制器的功耗为10mW，休眠时的功耗为3μW：场景1下的占空比为1%（微控制器有1%的时间处于有效工作），场景2的占空比为0.01%。场景1下的平均功耗为103μW，场景2的平均功耗为4μW。注意，无论哪种场景，如果休眠模式功耗降低（或增加）1μW，平均功耗将降低（或增加）大约1μW。所以，在场景1下，有效工作模式的功耗显然更加重要；而场景2下，休眠模式的功耗显然更加重要。
　　随着IoT应用的普及，微控制器不可能实现某个单项功耗指标就比其他指标更重要，也不可能有某款IoT微控制器能够适合所有应用。设计师面临艰难的挑战：不仅要确定能够满足当前要求最佳表现的微控制器，而且要确定满足可能的现场升级以及可能改变其功耗模式的灵活性。
　　最后，电源并不是创建隐形智慧世界的唯一关键参数。如果没有安全和集成，我们周围的东西不可能具备智慧并提供可靠的信息。然而，没有足够的功耗性能，IoT设备无法持续工作，不足以提供适当的ROI。