對於電子技術與電子設計來說，物聯網是個巨大的創新領域，無論從雲端到閘道器、伺服器、路由器及個別的感應節點，都不斷地有新突破，讓整個物聯網生態環境順暢運作，而這些發展的目標，就是要有效率的使用電源及傳輸數據。
個別的感應節點可說是系統內最有趣之處，其中包含了眾多感測器與應用。舉例來說，辦公室內的智慧溫控器會自動依據明天的天氣預報，調整溫度或濕度，再透過智慧型手表回報溫控器一週耗能分析。
相較感應節點本身如此多元，能源管理挑戰則日趨簡化。超低能源管理的新進展，如效率及整合度的提升，正在為物聯網創造更強大且體積更小的感應節點。
降低感應節點能源需求
個別感應節點的電源管理有一個基本目標--以更少做更多。「做更多」是指執行更多功能，例如網路連線、儲存以往設定與使用者選項(學習未來使用情境反應)，以及提供既現代化又易使用的客製化介面，方便感應器互動與控制。
這些功能皆需要新的軟硬體，例如無線連結、使用新演算法的大型處理器，或是LED顯示器、數位光源處理(DLP)口袋投影器等特定介面。新硬體須要調整電源管理系統；而新軟體若為具備多種省電與休眠模式的超低功耗優化軟體，同樣需要新的電源管理系統，才能充分利用軟體內的節能程式碼。
「以更少」則是指感應器的供電來源。不論感應器是由電力線、電池或能源採集供電，未來趨勢都須減少耗能。物聯網內感應器只要能夠減低耗能，便能為終端裝備及使用者創造明顯且直接的益處。
因為降低能源需求，溫控器等線路供電感應器能符合能源之星或其他的省電標章，以申請綠建築認證；對於多數穿戴式裝置等電池供電感應器而言，減少能源需求可縮小電池體積與重量，讓裝置穿戴更舒適、使用時間更長。對太陽能窗簾馬達等能源採集感應器而言，降低耗能可縮小太陽能板面積，減少視線阻礙。
內建FRAM 新MCU高度提升建築用電效能
智慧型溫控器通常包含一個或多個溫度感應元件、微控制器(MCU)、對外連結(圖1)。溫控器的感測流程係從感應器測量溫度，再回報至微控制器，所得數據則透過無線連結或線路，傳遞至網路或中層伺服器。
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| 圖1 在電池供電的智慧型溫控器內，超低功耗微控制器控管對外連結選項，其中可能包括無線連結(WiFi或ZigBee)、乙太網路或USB。 |
雖然最終的結果只是開關空調、暖氣及風扇，但只要利用這些數據，就能發揮更多功能。舉例來說，若匯整建築物內數千個溫控器，以及其他感應器的大量數據，便能得到完整的暖通空調資訊，了解建築物的用電效能。
由於建築物溫控器位置固定不變，以電力線供應主要電源即可，這樣的設計相當可靠，維護需求也很低，較高的線路電壓可降至較低且適合使用的5伏特(V)，再透過中間匯流排電壓供應各子系統。
除了電力線供電外，還需要備用電源以確保溫控器在電源停止供電時也能運作。AA鹼性電池或鋰電池等化學電池是最簡單的方案，不僅易於取得，也不需要充電迴路，更不會增加成本。
微控制器通常需要約1.8伏特的電壓，但執行編寫快閃記憶體等特定功能，或須要提高運轉效能時，電壓需求可能高達3伏特。同時，微控制器的負載模型波動頗大，在執行程式碼時常會造成負載電流突然改變，這些負載暫態即對電源供應器的穩壓迴路造成挑戰。
現代的微控制器休眠模式，已經可降低所需電流至低於10微安培(μA)，其中，符合EnergyTrace++1技術的超低功耗微控制器--MSP430F59xx(FRAM)即為一個典型的例子。
除了測量溫度與通報感測數據之外，溫控器通常都處於待命模式，能源轉換效率將左右系統整體效能，故必須使用超低功耗優化電源，以達到良好效能。
以市面上微控制器來說，其在開發時便採用低漏電製程、內建鐵電隨機存取記憶體(FRAM)及低耗電周邊，因此在相同電源預算內能提供更多的功能。FRAM具備單一記憶體、低耗電、快速寫入時間及高耐久度等優點，解決傳統快閃記憶體的問題。
以TPS627402為例，其即為超低功耗優化裝置，能符合溫控器所有設計需求。此超低功耗降壓轉換器更內含四個數位輸入接腳，能夠調整輸出電壓為1.8～3.3伏特。
最重要的是，上述新款超低功耗降壓轉換器的運轉靜態電流(IQ)只需360奈安培(nA)，效能曲線即如圖2，10微安培的負載電流效能達85%，尤其若線路斷電，必須改由電池供電，這一點格外重要，因為高用電效能能夠延長電池壽命，使用多年也不須更換。
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| 圖2 當溫控器內的微控制器電壓從5V轉換至3.3V時，在大部分的電流範圍，效能均可達92%以上，在10μA負載電流時，效能可達85%。 |
最後，該超低功耗降壓轉換器內建適合無線連結的負載開關，只要串連無線連結與負載開關，而不使用微控制器的供電電壓，即可依據需求切斷負載開關電源，避免在系統內產生漏電流(圖3)。
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| 圖3 在智慧型溫控器的電源內，感應元件與無線連結的電源來自內建負載開關，可避免在系統中產生漏電。 |
超低功耗最佳化電源因為運轉靜態電流超低、運轉效能較高，故物聯網的感應節點能夠以更少做更多，若能運用適當的電源管理技巧，這些感應器能夠連結到網路或穿戴式裝置，亦能以備用電池運轉數年，都不須更換電池，並在使用電力線供電時符合能源之星標章。
(本文作者任職於德州儀器)