在之前的專欄中，我們介紹了 IoT 設計的多個方面，包括傳感器、連接性、軟件和單芯片 IoT 架構。在這一部分中，我們正在探索電源要求和優化。

電源給自包含的物聯網節點帶來了獨特的挑戰，尤其是當它們需要滿足“始終開啟”的要求時。畢竟，系統只有在電力持續時才是無線的。物聯網設備依靠電池或能量收集來為它們提供白天和黑夜的動力。因此，工程師在設計產品時需要特別小心，以盡量減少功耗。

解決此問題的一種方法是創建分解為特定任務或電路塊的功率預算。通過分配每個任務或電路的功率預算，設計人員在選擇所需組件時可以獲得更多信息和清晰度。需要選擇物聯網系統的每個組件（包括傳感器、微控制器和無線連接）來創建超低功耗實施。

MCU 供應商在為物聯網應用優化 MCU 時會考慮多種因素，包括：

完善技術節點

提供高度靈活的電源模式

啟用功耗優化的硬件 IP 塊

使用靈活的低功耗信號鏈和模擬前端

將基本功能集成到單個芯片中

支持全面的工作電壓范圍

優化 Flash 訪問

能量收集

用于制造 MCU 的工藝技術對于確定其性能、低功耗能力和成本至關重要。物聯網應用需要高效的有功功耗和低功耗模式消耗，以實現系統的整體電源效率。制造技術的持續進步導致芯片尺寸縮小。芯片縮小直接影響性能和功耗。縮小芯片可減少在保持相同時鐘頻率的同時打開/關閉每個晶體管所需的電流。因此，較小的芯片具有較低的功耗，增加的頻率余量會帶來更高的性能。不幸的是，雖然縮小工藝技術可以提高性能、功耗和集成度，但它帶來了管理漏電流的挑戰，特別是在低功耗模式下運行時。必須根據最終應用在有源模式和低功耗模式電流消耗之間進行權衡。

在之前的專欄（無線電和計算機）中，我們探討了為什么最好使用對您的應用程序足夠強大的計算和連接，因為跳到更高層可能會顯著增加功耗。即使使用看似優化的系統，也可能并不總是需要計算和連接性。在這種情況下，使用 SoC 供應商提供的低功耗模式是輕而易舉的事。靈活的電源模式的可用性使開發人員能夠安排單獨的系統事件，從而優化整體功耗。一項基本技術是提供可以在低功耗模式下運行的多個外設，并且可以在無需喚醒 CPU 的情況下喚醒這些外設來執行其功能。在考慮 MCU 的功耗模式時，重要的是要超越基本架構。例如，標準 ARM CPU 內核支持 Active、Sleep 和 Deep Sleep。MCU 供應商通常會添加額外的電源模式以進一步增強電源優化。一些 MCU 還提供特定的低功耗活動模式，以使外設可用于具有有限功能（例如較低的工作頻率和電壓）和較低功耗的操作。

傳感子系統也可以從創造性的功率優化技術中受益。例如，以所需的最低采樣率而不是過采樣使用 ADC。在基于電阻梯的測量中，可以通過較少的差分轉換巧妙地完成許多簡單的結束轉換。除了降低功耗之外，這些技術還降低了共模噪聲。

現代運算放大器和其他線性集成電路具有降低的電源電壓和使能引腳。這使系統能夠在不需要運行時關閉模擬前端/信號鏈。具有集成信號鏈或可編程模擬模塊的 SoC 提供了更大的靈活性。在片上可編程系統中，運算放大器可以以非常低的有效電流在深度睡眠電源模式下運行，盡管要以降低帶寬為代價。這種技術對于始終開啟的直流到低頻信號鏈來說是一個相當大的提升。

與可編程模擬提供的功能類似，具有可編程數字的 SoC 使系統能夠將簡單的數字任務卸載到可編程 I/O。這允許 CPU 在處理這些任務時保持深度睡眠。如果沒有這種可編程數字，CPU 將不得不變得活躍才能直接執行這些任務。

另一個顯著影響功耗的因素是非易失性 （NV） 存儲器訪問。對于使用 Flash 存儲固件代碼的 MCU 來說尤其如此。閃存訪問中的任何優化都會導致顯著降低功耗。目標是最小化 Flash 訪問的頻率。這里應用了兩種常規技術。一種方法是提供高速緩沖存儲器。這樣，不需要在每個執行周期都訪問實際的代碼存儲器（Flash）。由于高速緩存需要較少的功率來訪問，這將顯著影響有功功耗。另一種方法是增加每個周期獲取的數據量。使用更廣泛的 Flash 訪問可降低 Flash 訪問頻率并降低功耗。

基于物聯網的 MCU 還可以提供靈活的電源系統。通過支持寬電源電壓范圍，MCU 可以使用多個電源供電。例如，健身追蹤器等簡單的物聯網應用可以由紐扣電池供電，而智能手表等復雜的物聯網應用可以由 PMIC（電源管理集成電路）供電。一些 MCU 提供內部降壓轉換器以有效調節功率。

能量收集是從操作環境（如光能、熱能和機械能）中獲取能量的過程。從系統級的角度來看，能量收集可以成為改變游戲規則的替代方案，而不是總是從電池中獲取電力。當超低能量系統需要少量電力時，能量收集是可行的。太陽能模塊是最流行的能量收集解決方案，因為它們容易獲得、易于使用且成本低。然而，隨著智能鞋等可穿戴設備不斷受到運動影響，壓電和電磁動能收集變得很有吸引力，因為它們可以產生更高電壓的大量電力。熱電發電機是工業應用中利用熱能發電的絕佳選擇。

審核編輯：郭婷