電源給獨立的物聯網節點帶來了獨特的挑戰，尤其是當它們需要滿足“始終在線”的要求時。畢竟，系統只有在電源持續時才是無線的。物聯網設備依靠電池或能量收集來為它們晝夜供電。因此，工程師在設計產品時需要特別小心，以最大限度地降低功耗。

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

MCU 供應商在針對物聯網應用優化 MCU 時會考慮各種因素，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

優化閃存訪問

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，以實現系統的整體能效。制造技術的不斷進步導致芯片尺寸縮小。性能和功耗直接受到芯片收縮的影響。縮小芯片可降低打開/關閉每個晶體管所需的電流，同時保持相同的時鐘頻率。因此，更小的芯片具有更低的功耗和更大的頻率裕量，從而帶來更高的性能。遺憾的是，雖然工藝技術縮小了性能、功耗和集成度，但它帶來了管理漏電流的挑戰，尤其是在低功耗模式下運行時。必須根據最終應用在有源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足以滿足應用程序需求的計算和連接，因為跳到更高的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。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。靈活的功耗模式使開發人員能夠安排單個系統事件，從而優化整體功耗。一項基本技術是提供多個可在低功耗模式下運行的外設，并且可以在不喚醒 CPU 的情況下喚醒這些外設以執行其功能。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 內核支持活動、睡眠和深度睡眠。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有源模式，使外設能夠以有限的功能（如較低的工作頻率和電壓）和更低的功耗運行。

傳感子系統還可以從創造性的功率優化技術中受益。例如，以所需的最低采樣速率使用ADC，而不是過采樣。在基于電阻階梯的測量中，許多簡單的結束轉換可以巧妙地完成，而差分轉換較少。除了降低功耗外，這些技術還可以降低共模噪聲。

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。這使得系統能夠在不需要操作時關閉模擬前端/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，運算放大器可以在深度睡眠功率模式下工作，具有非常低的有功電流，盡管代價是帶寬降低。這種技術對于始終接通的直流至低頻信號鏈具有相當大的提升作用。

與可編程模擬提供的功能類似，具有可編程數字功能的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狀態。如果沒有這種可編程數字，CPU將不得不激活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） 內存訪問。對于使用閃存存儲固件代碼的MCU尤其如此。閃存訪問中的任何優化都會導致功耗大幅降低。目標是盡量減少閃存訪問的頻率。這里應用了兩種常規技術。一種方法是提供緩存。這樣，不需要在每個執行周期都不訪問實際的代碼存儲器（Flash）。由于緩存需要較少的功率才能訪問，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。使用更廣泛的閃存訪問可降低閃存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，簡單的物聯網應用（如健身追蹤器）可以由紐扣電池供電，而復雜的物聯網應用（如智能手表）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、熱和機械能）中獲得能量的過程。從系統級的角度來看，能量收集可以成為一種改變游戲規則的替代方案，而不是始終從電池中獲取電力。當超低能耗系統需要少量功率時，能量收集是可行的。太陽能模塊是最受歡迎的能量收集解決方案，因為它們隨時可用、易于使用且成本低。然而，隨著智能鞋等可穿戴設備持續暴露于運動中，壓電和電磁動能收集變得有吸引力，因為它們可以在更高的電壓下產生大量電力。在工業應用中，熱電發電機是利用熱量發電的絕佳選擇。雖然能量收集提供“免費”能源，但它需要精心設計的電子設備，以便從不同的能源為物聯網節點提供恒定的供應。

審核編輯：郭婷