物联网规模在极速扩张。据中国信通院相关数据显示,截止2018年底三大运营商物联网连接数已达到7.68亿,国内市场总连接数量突破20亿,预计到2019年年底,我国物联网总连接数量将达到31亿。全球来看,市场研究机构Gartner预测2019年联网设备总数(含PC与手机)将达142亿台,2021年全球联网设备总数将达250亿台。

物联网设备数量增长主力在于边缘侧终端设备,相当多的终端设备都不具备直接供电条件,只能采用电池供电,而在企业级应用中,很多物联网设备既不方便充电,也不方便经常更换电池,因此需要将电池供电寿命设计成5~10年,甚至更长,延长电池寿命已成为物联网终端设备设计的关键要求。

典型电池供电物联网终端设备主要由MCU、无线收发模块与传感器构成,要实现10年供电寿命,主要从上述三个核心模块来极限压低电流消耗,从而实现超低功耗设计。


MCU低功耗设计

首先,MCU作为物联网终端设备的核心器件,其功耗水平及应用选择往往决定了系统功耗是否符合设计要求。MCU功耗一般分为静态功耗和动态功耗。静态功耗取决于漏电,而漏电与工艺与IP选择直接相关,减小供电电压可以降低漏电。在动态功耗部分,可以通过减小电源电压或者降低时钟频率来降低功耗。

物联网终端节点应用中,通常MCU超过99%的时间都处于空闲状态,在空闲状态MCU可以进入深度睡眠模式,关闭绝大部分功能,从而大幅降低功耗。这时考验的是静态功耗,当前主流MCU工艺与IP支持下,深度睡眠状态电流可以做到100nA以下。

MCU在动态运行期间电流可达数mA甚至更高,因此,在系统设计时需要把MCU动态运行时间压制到最低。但另一个需要注意的地方是唤醒时间,当MCU从深度睡眠状态进入到工作状态时,其消耗的电流比正常工作模式电流还要高出很多,所以工程师需要选择唤醒时间更短的MCU。在低功耗设计做得比较好的MCU,唤醒时间可以做到2~3uS。

此外,从系统角度看,尽可能提高MCU集成度将有效降低系统功耗。MCU集成高分辨率ADC、DAC,以及运放与GPIO,从而减少板级元器件数量,在电路板上任何独立的元器件,都会增加整机静态功耗。如今主流MCU厂商,例如意法半导体、Microchip、瑞萨等公司,都有专门为物联网终端设计的超低功耗MCU产品。


低功耗无线收发技术

无线收发技术中,各种标准都在为低功耗应用优化而努力,就算蓝牙与Wi-Fi这种成熟的技术标准,也在不断为低功耗应用而改进。

例如,蓝牙技术联盟在2012年推出低功耗蓝牙技术(BLE)标准,BLE技术一切皆以最低功耗为设计目标,为了减少功耗,低功耗蓝牙设备大部分时间会处于睡眠模式。当活动发生时,设备会自动被唤醒并且向网关、个人电脑或智能手机发送一则消息,从而建立通信。低功耗蓝牙峰值功耗不超过15毫安,平均功耗约为1微安,使用时的功耗被降低到传统蓝牙的十分之一。在唤醒次数较少的应用中,一粒纽扣电池就能维持5至10年的稳定运行。

WiFi技术功耗较高,一般不用于超低功耗物联网应用,但Wi-Fi联盟也已正式发布主打低功耗特性的802.11ah 标准。

而近年来陆续出现的低功耗广域网(LPWAN)标准,则比传统无线技术更强调低功耗,无论是授权频谱的NBIoT,还是私有频谱的LoRa、Sigfox、Zeta等标准,都对功耗做了极度优化,可以支持终端设备依靠电池工作五到十年。LPWAN通常都限定了极低的带宽与与极低的上报频次,例如每小时传输数据量不超过10字节,每两小时连接一次或者每24小时连接一次,从而大幅降低无线射频收发功耗。

低功耗广域网技术指标对比

图片来源:艾瑞咨询

事实上,科研人员还在研究新型无线收发技术来进一步降低无线传输的功耗,例如唤醒式无线系统与反射调制系统,这些新技术可以在现在的基础上对无线收发环节的功耗,实现数量级的提升,不过这些技术目前还处于实验室阶段。


传感器低功耗设计

除了选用低功耗应用专用传感器元器件,传感器模块的低功耗设计还取决于两个因素。一个是传感器信号处理链路的低功耗设计,温湿度、压力、加速度、光线等常见传感器的功耗通过优化设计,可以实现uW甚至nW级功耗。但从传感器信号出来到ADC之前,还需要放大、滤波等信号处理电路,这些电路也需要适应低功耗设计需求,比如能够在100uA供电电流下工作。选择超低功耗器件构建传感器信号链路是一种设计思路,将信号链路集成到MCU或传感器上是另一种设计方法,集成的方法不仅功耗低,可以从系统上更好的管理功耗。

另一个是对传感器也进行周期性供电,很多应用并不需要传感器时刻处于工作状态,如果只在传感器需要工作的时候才供电,就可以大幅度降低传感器模块部分功耗。在评估传感器系统中周期供电的有效性时,工程师必须明确采集有效数据所花的时间,以确保每次数据采集的正确性。


能量收集

能量收集技术是物联网设备低功耗设计长期看好的方向,从外部环境中提取能量,来为物联网设备供电,从而让设备在全生命周期不需要更换电池。

热量、振动、压力,风能、太阳能,都能够被专用电路转换成电能,有些市场已经成功地采用了能量收集方法,如交通运输基础设施、无线医疗设备、轮胎压力检测和楼宇自动化市场。尤其是在楼宇自动化系统中,占位传感器、自动调温器甚至光控开关等部件,以前安装时通常需要电源或控制配线,由于采用了能量收集系统,现在这些部件已经不需要电源。在现实环境中,这些由外部环境能源供电的系统往往很笨重、复杂和昂贵。

不过在芯片公司努力下,小巧易用的能量收集模块已经出现,富士通的AEM10940启动电压只需要11mW(380mV),可以接受太阳能、热能、振动和射频信号能量;意法半导体的SPV1050就是一款针对太阳能或热能的能量收集器,而且提供了充电功能,最大可以支持70mA的充电电流,20引脚QFN封装,尺寸只有9平方毫米;ADI公司的LTC3588系列则是针对振动的能量收集专用芯片, 输出电压可选1.8V、2.5V、3.3V、3.6V,覆盖多数便携式设备电压范围,输出电流最大可达100mA,尺寸也是3m*3m。在新型能量收集芯片支持下,为部分物联网应用的无线网络终端节点实现无电池供电,已经成为可能。

典型能量电路收集输出功率与电压


能量收集的另一个热点方向是提取无线电波中的能量,无论是Wi-Fi,还是手机信号,都对外辐射一定的能量,利用专用器件可以提取这些无线电波的能量。日本科技振兴机构(JST),富士通公司和东京都立大学近日宣布,他们开发了一种纳米线反向二极管(nanowire backward diode),这种高灵敏度整流元件可以将低功率微波转换为电能。该技术的灵敏度是传统技术的十倍以上,能从日常通信用4G信号转换出约100nW的能量出来,该能量收集技术如果能产业化,有望为超低功耗物联网传感器供电。

如上所述,超低功耗MCU、无线通信技术与传感器模块是物联网设备低功耗设计的三大主要方向,但工程师也不能忽视板级电源设计与系统优化。通过优选器件、合理设计、全局优化,现在的技术已经完全可以支持物联网终端10年电池寿命设计。伴随半导体技术、电池技术与能量收集技术的发展,物联网终端设备有望实现更高的电池寿命,甚至免电池供电,从而为物联网设备的进一步普及奠定基础。

慕尼黑展览(上海)有限公司

上海市浦东新区世纪大道1788-1800号陆家嘴金控广场T1塔楼11层

邮编 200120

电话: +86 21 2020 5500
传真: +86 21 2020 5688
info@mm-sh.com