隨著日常生活用品變得越來越智慧，設計工程師需要找到解決此類裝置供電問題的可行途徑。而在物聯網(IoT)產品設計中，往往在設計週期的最後階段才會考慮電源問題。本文探討三類應用的供電問題，以及低功耗微控制器在為聯網裝置提供高效電源管理的重要性。
隨著日常生活用品變得越來越智慧，設計工程師需要找到解決此類裝置供電問題的可行途徑。而在物聯網(IoT)產品設計中，往往在設計週期的最後階段才會考慮電源問題。本文探討三類應用的供電問題，以及低功耗微控制器在為聯網裝置提供高效電源管理的重要性。
萬物皆智慧
在此並不是說您家的大門有大腦控制。但如果府上的大門有辦法說話，它一定有很多事情可告訴您。它能告訴您門是開著的還是關著的、鎖了沒有；它還能告訴您外邊的天氣怎麼樣；它能告訴您門外是誰。如果大門能夠聽懂您說話，則能做得更多：根據您的命令鎖門或開門、使您能夠跟門外等候的人講話。
人們周圍的東西以及與之互動的東西都在變得智慧，所以人們希望將其連接到網際網路。但目前許多東西沒有辦法分享其資訊或聆聽使用者的請求，其因在於當前的技術不足以支撐任何擁有寶貴資料的裝置皆可聯網。為了改善此現況，其中一項就是要克服供電的挑戰。若要讓裝置具備智慧化效能，感測器與執行器不可或缺，而背後穩定的電力供應成為一大關鍵要素，例如大門感測器的供電問題將限制其普及；頻繁更換電池造成裝置(或智慧管理)不可用；大電池可能會壓垮許多應用等問題，有誰希望家門口放置一個突兀的電池組？並且太陽能收集能量也不是始終可用的。
整個生活環境中，充滿了「隱形智慧」等待啟動。但必須先搞清楚如何為智慧裝置供電(圖1)。
圖1 包括智慧廚房器具在內的IoT往往需要高效供電才能發揮作用。
什麼是隱形智慧？
許多有趣的IoT應用都遵循隱形智慧的原則。最好的技術隱藏於無形的設想，隱形智慧對於IoT應用具有特別的意義。
隱形智慧的第一條原則是，通過技術手段挖掘事物的智慧時，不應從根本上改變使用者與之互動的方式。人們仍然可在智慧溫度監控器上設定溫度，但溫度監控器開始根據大量條件學習使用者的喜好；人們仍然抬起手腕來看時間，但同時能夠看到其他更有意義的資料，供使用者感興趣時進一步瞭解。
隱形智慧的第二條原則，使用者應該察覺不到智慧裝置與其對應的「傻瓜」版本之間的區別，所以稱其為隱形。加熱線圈被啟動時，智慧床會發出嗡嗡聲，這有悖於床的初衷；如果窗戶感測器需要較大的電池，因此阻擋了外部的光線，就失去了窗戶的意義；如果自動百葉窗的馬達體積過大，就破壞了優美的風景。
隱形智慧的第三條原則是有價值的資料。與「傻瓜」版本相比，具有隱形智慧的東西更昂貴。智慧磚塊可能非常容易使用，並且不會改變使用者與之互動的方式或關於對磚塊的認識。但是，如果花重金購買從房子上掉下來時會向您發簡訊的磚塊，真的具有投資報酬率(ROI)嗎？
接下來本文討論隱形智慧的三條原則，以及最初的問題：如何為IoT供電？
電池或其他能量收集不能影響裝置的使用。需要搖動手柄才能操作智慧溫度監控器？智慧手表上的電池重量能把手臂壓彎？太陽能面板妨礙使用者操作智慧鎖？使用者不應只考慮這些電源帶來的物理障礙。畢竟，電池充電通常也不是人們與大多數裝置互動的一部分。雖然可能必須為某些電池重複充電，但設計師應考慮使用者與裝置的自然互動。需要每天充電的智慧門鈴不可能成為人們日常生活的必需品。
這裡考慮美觀和實用性。假設窗戶感測器的電池阻擋窗外美景，人們會直接廢棄窗戶感測器。如果因為電池的原因造成智慧手環笨重，一旦新鮮感過去，可能就再也不用了。
與所有業務一樣，IoT裝置存在固有的投資報酬率問題，「回報」必須超過「投資」。不合理的能量收集電路可能增加較高成本，導致投資超過回報。電池更換也會提高投資，不僅包括電池成本，也包括客戶體驗等指標。
可穿戴裝置引領潮流
IoT並不局限於某個片刻或某個市場，而是越來越多裝置聯網的趨勢以及支撐這些裝置的技術。現在已經能夠在大量裝置部署中看到IoT的身影；智慧電表和可穿戴健身裝置是其中兩個非常流行的例子。就後者而言，已經看到有產品既成功解決供電問題，又成功展示了「隱形智慧」。
健身手表等商業上非常成功的可穿戴產品完全遵循以上三條原則。與傳統手表相比，使用者與健身手表的正常對話模式沒有什麼不同——使用者仍然能夠一目了然地獲得所需的資訊，儘管使用者可能需要學習更多的複雜操作以便獲得額外的資料和功能。許多健身手表確實需要每天充電，但這與手表既有的正常互動沒有太大區別，例如在晚上一般會摘下手表，並且充電(像是手機的使用模式)，並不會真正破壞使用互動。
健身手表在很大程度上保持了普通手表的外觀。得益於低功耗技術優勢，智慧手表能夠提供更多功能和資料，且其尺寸不會超過傳統手表。
健身手表也不斷提供寶貴的資料。幾年之前，跑步者或自行車騎士知道跑出了多長距離就足夠了，但現在還增加計算卡路里、分析多個健康參數、識別多種不同的運動類型，並且與智慧手機整合，實現即時通知。
除遵守隱形智慧的原則之外，健身手表也展示了IoT領域的另一趨勢：對資料的日益渴求。幾年前僅僅整合了GPS功能，現在則整合多個光感測器來監測心率和脈搏血氧，運動感測器填補了GPS無法工作時的空白，並可識別其他運動，以及高度測量等。可穿戴裝置也擁有多種輸出資料的途徑，像是無線介面和彩色圖形螢幕代替了專用連接線和單色文字螢幕。
健身手表等可穿戴應用引領了新的潮流，可看到大量聯網裝置正在不斷地增加感測器，協助提供更多資料。但是越來越多的感測器和越來越多的連接以及演算法意味著更大功耗，需要更大的電池或頻繁的充電，這絕對不是好的解決方法。如何在看似不可能的情況下管理其功耗預算，在提供更多資料資訊的同時有效延長裝置工作時間？
電源與現實世界
開發者通常考慮IoT應用的三個關鍵能力：感測(或控制)、處理和通訊。但往往忽略了供電問題。
許多IoT裝置可插入市電，例如智慧廚房器具或電動工具往往需要牆上電源插座。這種情況下的功耗可能不是問題，甚至開闢了更多的通訊選項，例如電力線通訊。但只有擺脫電源線並從沒有連線的無線供電裝置獲得資料時，才能夠實現IoT的真正願景——從任何地方獲得有價值的資料。
能量收集是非常好的想法，但由於收集能量的先天屬性，在可用範圍以外的可行性不太大。太陽能可以為許多應用產生充足能量，但有多少應用能夠在天氣變差時停工一天或一周？有多少應用能夠在晚上不工作？使用者可以利用可充電電池填補這些空白，但在一定程度上也失去了太陽能供電的價值。
事實上，大多數IoT應用都將依賴於某種形式的電池。即使使用能源收集，仍然需要可充電電池，許多應用還會依賴一次性電池，要麼在電池使用壽命之後將裝置廢棄，要麼裝置的價值足以值得更換電池。為了最大程度地延長裝置壽命或兩次充電之間的時間間隔，設計工程師必須高效利用電池。
高效供電
大多數嵌入式應用使用多顆IC，各個IC都需要電源。許多情況下，這些IC可能需要多路不同的電源。開發者有可能使用工作在1.8V、3.3V、1.2V供電的不同晶片，或需要多個不同電源軌的晶片。針對每路電源使用一個電池顯然沒有意義，工程師需要確定如何將單個電池電壓轉換為所需的多個電源軌。還需要瞭解實際電池的特性：例如，電池在整個壽命期間產生的電壓將發生變化，一般隨電池放電而降低。
可利用簡單、廉價的線性穩壓器將電池電壓轉換為必要的供電電壓。實際上，許多IC可能整合了線性穩壓器，以簡化外部電路設計。微控制器內部往往使用多路不同電壓。I/O接腳可能工作在3.3V，而處理器核心可能工作在1.8V，這種情況下，微控制器可能使用線性穩壓器，工程師只需要為微控制器提供3.3V電壓，該電壓將在內部被穩定至1.8V。
儘管線性穩壓器能夠提供極低雜訊，這對於許多敏感的類比電路至關重要，但由於線性穩壓器功耗較大，效率非常低。
一般會設計開關電源(SMPS)，高效地為嵌入式應用供電。這些設計通常比較複雜，且成本更高。如果管理不合理，來自於開關元件的雜訊可能干擾其他電路。然而，與線性穩壓器相比，開關模式電源的優勢是電壓轉換效率可高達90%或更高。
這意味著什麼？以某款微控制器為例，其工作電壓為1.8V，耗流為100μA @ 1MHz，系統供電電池為3.3V電壓。如果使用線性穩壓器，從3.3V穩定到1.8V，消耗一定比例的電流，儘管微控制器功耗為180μW，但線性穩壓器額外消耗了150μW(圖2)。
圖2 線性穩壓器的功耗
現在，假設在相同情況下使用效率為95%的SMPS。此時，微控制器的功耗仍然為180μW，但電源僅額外消耗9μW，總功耗為189μW，而非330μW(圖3)。
圖3 開關穩壓器功耗
考慮功率而非電流
大家都在談論節能話題，甚至願意為較低功耗應用支付更多費用。電力公司根據使用者使用的電量收取電費，沒有人關心裝置消耗的電流是多少，因為如果不知道裝置的工作電壓，這種衡量手段是沒有意義的。那麼微控制器為什麼採用每兆赫茲微安(μA/MHz)作為常見的效率指標呢？更合適的指標應為每兆赫茲微瓦(μW/MHz)。
考慮以下兩款微控制器：微控制器A工作在60μA/MHz，3.3V供電；微控制器B工作在100μA/MHz，1.2V供電(圖4)。
圖4 功率=電流×電壓
筆者不斷聽到說微控制器A更好，因為其耗電流更小，僅為60μA/MHz，而非100μA/MHz。但是，如果考慮功耗(假設微控制器工作在1MHz)，即使因為SMPS將效率提高了5%，微控制器B的功耗也遠遠小於微控制器A。
選擇低壓微控制器
有些產品可根據資料手冊的幾行資料(以及一定程度的驗證)來選擇功耗適當的產品。但微控制器則比較棘手，作為嵌入式系統的大腦，它可能是電池的用電大戶。並且也像大腦一樣，非常複雜，難以簡單地根據資料手冊的一兩行資料進行選擇。
在上文中討論了與電源電壓相關的「μW/MHz」指標，儘管該指標由於其簡單性而非常具有吸引力，但該指標並不能準確表示微控制器在具體應用中的表現。開發者的應用很可能需要使用周邊以及運行相應的程式碼，但在進行μW/MHz評估時，微控制器很可能在執行簡單的程式碼迴圈。μW/MHz指標也許可以作為篩選的第一關，如果某款產品明顯比其他產品差，可能就不值得對其做進一步檢查；但是如果兩款產品相對接近(可能彼此之間的差距為25~50%)，可能就有必要進一步深究。
在確定應用的工作壽命方面，低功耗休眠模式也非常重要。在此類模式下，微控制器待機，晶片中大多數功耗較大的電路不消耗功率。但即使低功耗休眠模式也非常複雜，許多晶片支援多種低功耗休眠模式。在選用這些低功耗模式時，有許多重要因素需要考慮：
在低功耗休眠模式下能夠保持SRAM有效可能非常重要，否則，微控制器就不能記錄資料、作業系統狀態、網路狀態、中間計算結果等，或者其他對於應用非常關鍵的資料。簡單的應用可能無需記憶此類資料，但以超音波水表等應用為例：一般每秒僅採集幾次流量測量資料，並且每個小時或每天才需要報告幾次數據。為了提高系統精確度，補償演算法可能需要較大的資料儲存容量，如果微控制器不能保存相當數量的資料，就需要在每個休眠週期開始之前將資料儲存到EEPROM或其他非動態記憶體。
這種記憶體需要大量功耗來儲存中間結果，而中間結果本身對最終應用沒有什麼意義。或者可以想像一下運行作業系統的更加複雜的應用，在低功耗模式下保持較大容量的SRAM，意味著微控制器從休眠模式喚醒時不需要浪費時間和功耗重新進行初始化操作。注意，與較小容量的SRAM相比，保持較大有效SRAM通常消耗較大的休眠模式電流(假設其他參數相同)。
微控制器的時鐘會消耗大量功率。休眠模式下，往往會關閉較高頻率的時鐘，以便節能。但是在喚醒時，這些時鐘需要時間達到穩定，在此期間，微控制器不能執行有用的工作，但已開始消耗功率。較快的喚醒時間能夠最大程度降低從低功耗模式到有效模式之間轉換的功率。此外，為了回應事件，應用可能也要求快速喚醒。被串列介面上出現的資料喚醒時，微控制器必須足夠快地喚醒，以正確識別輸入資料位元。
假如某個應用希望每秒喚醒100次，讀取SPI控制的類比/數位轉換器(ADC)的16位元資料。粗魯的方法是：喚醒微控制器、啟動SPI介面、讀取資料、寫記憶體，然後返回休眠狀態。該功能無疑十分重要，但對於能夠將看似隨機雜訊的訊號轉化成醫療診斷資訊的高效能32位元微控制器，頻繁喚醒其工作有些大材小用。
與啟動微控制器核心相比，有些微控制器可以選擇採用簡單的狀態機來處理此類例行任務，在低功耗模式下，高速時鐘可能仍然有效，但微控制器保持休眠，因為開發者不需要其全速運轉。記憶體直接存取(DMA)就是其中一個簡單例子(無需微控制器介入即可將資料從一個位置移動到另一個位置)，但更智慧的選項是執行可程式設計操作，例如「每秒從SPI連接的ADC讀取100次數據並儲存到SRAM」，而功耗僅為主微控制器的幾分之一。
有些應用對低功耗休眠模式可能不十分關注。例如有些應用需要連續監聽音訊或以很高頻率讀取感測器，需要保持「不間斷工作」。「工作週期」是指應用或微控制器處於有效狀態並執行相應工作的時間所占比例。在以下兩種場景下，微控制器的功耗為10mW，休眠時的功耗為3μW：場景1下的工作週期為1%(微控制器有1%的時間處於有效工作)，場景2的工作週期為0.01%。場景1下的平均功耗為103μW，場景2的平均功耗為4μW。注意，無論哪種場景，如果休眠模式功耗降低(或增加)1μW，平均功耗將降低(或增加)大約1μW。所以，在場景1下，有效工作模式的功耗顯然更加重要；而場景2下，休眠模式的功耗顯然更加重要。
掌握因地制宜靈活性 MCU技術指標多樣化
隨著IoT應用的普及，微控制器不可能實現某個單項功耗指標就比其他指標更重要，也不可能有某款IoT微控制器能夠適合所有應用。設計師面臨艱難的挑戰：不僅要確定能夠滿足當前要求最佳表現的微控制器，而且要確定滿足可能的現場升級以及可能改變其功耗模式的靈活性。
最後，電源並不是創建隱形智慧世界的唯一關鍵參數。如果沒有安全和整合，周圍的東西不可能具備智慧並提供可靠的資訊。然而，沒有足夠的功耗性能，IoT裝置無法持續工作，不足以提供適當的ROI。
(本文作者為Maxim微處理器與安全產品事業部執行總監)