超低功耗技术力助物联网终端普及

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。

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。

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。

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。

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