物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的倡導(dǎo)者邀請(qǐng)我們想象一個(gè)未來，即使最小的設(shè)備是智能和連接的，旨在讓生活更輕松，更舒適，并有助于拯救地球的資源。

但是，很少有人想要想象一個(gè)未來，數(shù)百億個(gè)遠(yuǎn)程安裝的盒子需要定期更換電池。使用極低睡眠電流的超低功耗微控制器進(jìn)行極端電源管理可以使IoT在設(shè)備的整個(gè)使用壽命期間從小型電池運(yùn)行。假設(shè)占空比較低，這可能需要幾年時(shí)間。另一種方法是在能量收集子系統(tǒng)中設(shè)計(jì)能夠?yàn)樵O(shè)備供電并為電容器或小電池充電以提供備用。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是利用連接來收集智能或控制設(shè)備在使用其他技術(shù)難以或不經(jīng)濟(jì)的地方。這些連接的設(shè)備可以為最終用戶和服務(wù)提供商等其他利益相關(guān)者提供更多價(jià)值。它們可以使用本機(jī)IP傳輸技術(shù)（如以太網(wǎng)或Wi-Fi）進(jìn)行連接，也可以使用各種有線或無線連接（如RS-232，Bluetooth?，Bluetooth Smart）聚合到Internet網(wǎng)關(guān)中?；蛘咧T如ZigBee?之類的協(xié)議或在IEEE 802.15.4無線電上運(yùn)行的其他專用低功耗協(xié)議。傳感器或致動(dòng)器可以在遠(yuǎn)程位置單獨(dú)連接，或者可以作為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的一部分與其他附近設(shè)備連接。

在許多情況下，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的便捷電源（如交流線路或網(wǎng)絡(luò)電源，如USB主機(jī)或以太網(wǎng)供電源）不可用。需要獨(dú)立的能源，例如主電池或能量收集子系統(tǒng)。為了節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)訪問的高成本，需要在設(shè)備的預(yù)期使用壽命內(nèi)免維護(hù)運(yùn)行。

如果要使用電池，設(shè)計(jì)人員必須確保總可用能量為至少等于設(shè)備在其整個(gè)壽命期間所需的總能量。當(dāng)選擇電池類型時(shí)，包括電池化學(xué)的因素影響包括峰值電流輸送的放電特性。當(dāng)電池放電時(shí)，當(dāng)電池電壓低于元件所需的最小工作電壓時(shí)，電路將無法工作。除非引入額外的電路，例如升壓轉(zhuǎn)換器，否則剩余的電池能量將變得不可訪問。鋰電池技術(shù)在這方面提供了良好的性能：鋰亞硫酰氯電池能夠保持約3.6 V的穩(wěn)定電壓，直到能量幾乎耗盡，在其壽命終點(diǎn)附近迅速下降至約2.2 V的完全放電電壓。還應(yīng)考慮電池規(guī)定的最大放電電流。如果電池是設(shè)備唯一的預(yù)期電源，則必須能夠提供負(fù)載所需的峰值電流。或者，具有高放電能力的短期存儲(chǔ)裝置，例如超級(jí)電容器，可用于在需求高峰時(shí)幫助電池。

能量收集子系統(tǒng)應(yīng)能夠捕獲足夠的環(huán)境能量滿足設(shè)備的需求。因?yàn)橹T如光或熱能之類的環(huán)境能量通常不能連續(xù)獲得，所以能量收集可以與能量存儲(chǔ)裝置結(jié)合使用，該能量存儲(chǔ)裝置在傳感器處于省電模式時(shí)至少能夠向微控制器提供備用電力。小型可充電電池，如精工MS412FE 4.8 mm x 1.2 mm鋰紐扣電池，其標(biāo)稱容量為1.0 Ah，最大連續(xù)放電電流為0.1 mA，可滿足此要求。圖1示出了MS電池的充電電路。充電電壓Vc應(yīng)不大于3.3 V.在這種情況下，應(yīng)插入一個(gè)2MΩ電阻來調(diào)節(jié)充電電流?；蛘撸梢允褂么鎯?chǔ)電容，但其自放電率比電池快。

圖1：可充電鋰電池的充電電路。

在選擇能量收集或電池電量時(shí)，還必須考慮成本和尺寸限制。鋰原電池有各種尺寸和容量可供選擇，包括標(biāo)準(zhǔn)按鈕和圓柱形外形。 Tadiran TL-5101是一款半AA尺寸3.6 V電池，采用軸向引線封裝，可直接焊接到電路板或電源引線上。這樣可以省去電池夾的成本，以及在最終組裝過程中手動(dòng)插入電池所需的額外時(shí)間。

就能量收集而言，Microchip XLP 16位能量收集等套件開發(fā)套件可以幫助加速設(shè)計(jì)。該套件基于PIC24F微控制器和帶有板載可充電薄膜儲(chǔ)能裝置的太陽能收集模塊。提供的軟件包括充電監(jiān)控，主板采用標(biāo)準(zhǔn)PICtail擴(kuò)展連接器，可簡(jiǎn)化使用IEEE 802.15.4 2.4 GHz無線電模塊添加無線連接的過程。

物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的微控制器

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中細(xì)致的能源管理日益增長(zhǎng)的重要性推動(dòng)了超低功耗設(shè)計(jì)的發(fā)展，利用靈活的微控制器睡眠模式來減少只要這可以實(shí)現(xiàn)凈節(jié)能，電流消耗或停用未使用的電路。連接的傳感器必須周期性地捕獲感測(cè)數(shù)據(jù)，在本地執(zhí)行少量處理動(dòng)作，并將結(jié)果無線傳輸?shù)?a target="_blank">接收器，其功率曲線的特征是睡眠模式下的長(zhǎng)時(shí)間段，其中功耗最小，短時(shí)間需求較高當(dāng)設(shè)備被激活以接收，處理或傳輸數(shù)據(jù)時(shí)。應(yīng)用設(shè)計(jì)人員的技能在于盡可能長(zhǎng)時(shí)間地確保低電平盡可能低，并且在最短的時(shí)間內(nèi)峰值盡可能低。

微控制器，如Microchip XLP（極低功率）器件，STMicroelectronics STM32L線路和德州儀器MSP430器件（如最新的MSP430FG6626）引入了靈活的架構(gòu)，使設(shè)計(jì)人員能夠比典型的傳統(tǒng)微控制器更好地控制未使用的外設(shè)和CPU內(nèi)核部分，同時(shí)繼續(xù)支持重要功能。與內(nèi)核無關(guān)的外設(shè)，例如能夠在沒有CPU干預(yù)的情況下直接接收數(shù)據(jù)包并將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)酱鎯?chǔ)器的UART，有助于節(jié)省能源并節(jié)省代碼空間。

Microchip XLP器件，如16位PIC24FJ256GB410作為新型PIC24 GB4系列的一部分，它將支持超低功耗設(shè)計(jì)的功能與集成的硬件加密引擎相結(jié)合，能夠從主處理器卸載重要的物聯(lián)網(wǎng)安全任務(wù)。

微控制器SOS（關(guān)閉某物）

傳統(tǒng)微控制器通常只支持有限的電源管理模式，通?？勺屲浖O(shè)計(jì)人員選擇有源，空閑或休眠，超低功耗微控制器支持更多功能復(fù)雜的電源管理方案。多種節(jié)能功能涵蓋了器件的各個(gè)方面，例如時(shí)鐘子系統(tǒng)，穩(wěn)壓器和特殊的低功耗外設(shè)，如MSP430GF6266的集成運(yùn)算放大器。

對(duì)STM32L0系列中的時(shí)鐘和穩(wěn)壓器進(jìn)行額外控制，使設(shè)計(jì)人員能夠靈活地動(dòng)態(tài)優(yōu)化工作速度和電源電壓，以確保在任何適用的約束條件下以盡可能低的功耗執(zhí)行所有操作在執(zhí)行時(shí)間。時(shí)鐘控制器提供多個(gè)內(nèi)部源，由邏輯控制，設(shè)計(jì)人員可用它們選擇低速，中速或高速路徑，以允許外設(shè)以適當(dāng)?shù)乃俣冗\(yùn)行，具體取決于PCU是處于活動(dòng)狀態(tài)還是靜態(tài)。此外，外圍設(shè)備的多個(gè)門提供了一種方便和響應(yīng)的方式來停用各個(gè)外圍設(shè)備。當(dāng)引腳狀態(tài)保持有效時(shí)，可以暫停DAC或GPIO等器件。

此外，多種穩(wěn)壓器模式可選擇正常，低功耗或關(guān)閉，以允許多種運(yùn)行和休眠狀態(tài)。因此，除了正常的運(yùn)行和休眠模式外，還有低功耗運(yùn)行和低功耗休眠模式。還有一個(gè)8μA停止模式，除低速時(shí)鐘外，所有時(shí)鐘都停止。在此模式下，RTC和RAM也可以關(guān)閉，將電流進(jìn)一步降低至4μA。器件可以在3.5μs內(nèi)退出停止模式，允許頻繁使用停止以最大限度地節(jié)省總體功耗?？梢躁P(guān)閉更多電路以節(jié)省能量：片上閃存可以在任何工作模式下關(guān)斷，低功耗定時(shí)器和UART可以在停止模式下關(guān)閉。此外，還有待機(jī)模式，RTC打開或關(guān)閉。待機(jī)將關(guān)閉內(nèi)核的電源，以及高速和中速時(shí)鐘，將電流降至0.27μA。圖2總結(jié)了微控制器的低功耗模式。

圖2：針對(duì)功耗敏感應(yīng)用（如自供電或電池供電的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)）而設(shè)計(jì)的微控制器提供多種電源管理模式。

核心電壓也可以動(dòng)態(tài)調(diào)整，允許選擇低至1.2 V的電壓范圍，以便在對(duì)內(nèi)核的性能要求較低時(shí)最大限度地節(jié)省能源。電壓可在約3μs內(nèi)快速放大或縮小，從而可快速響應(yīng)性能需求的快速變化。

結(jié)論

未來幾年，數(shù)十億智能無線設(shè)備（如遙感器）將連接到互聯(lián)網(wǎng)。采用高效能量收集技術(shù)的無電池運(yùn)行提供了極佳的環(huán)境保護(hù)。另外，物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)可以設(shè)計(jì)為通過精心選擇電池和利用超低功耗微控制器的嵌入式設(shè)計(jì)，在預(yù)期使用期內(nèi)免維護(hù)。