微控制器系列提供廣泛的片上外設(shè)，具有納安級(jí)睡眠和微安有源功率模式。能量收集有望延長(zhǎng)應(yīng)用的使用壽命，具有高可靠性但電池壽命有限。作為任何能量收集設(shè)計(jì)的核心，超低功耗MCU可在嚴(yán)格的功率預(yù)算范圍內(nèi)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集和調(diào)節(jié)功能。各種MCU將低功耗操作與片上外設(shè)相結(jié)合，工程師需要滿足應(yīng)用和系統(tǒng)功耗要求。

能量收集利用連續(xù)或接近連續(xù)的環(huán)境來(lái)源產(chǎn)生微量能量。該過(guò)程將環(huán)境能源轉(zhuǎn)換為有用的能量。這種方法特別適用于功率器件難以安裝和維護(hù)的應(yīng)用，其中線纜太昂貴或笨重，并且端點(diǎn)太多或者傳統(tǒng)上散布得太多。例如，能量收集繼續(xù)吸引越來(lái)越多的注意力，例如輪胎壓力監(jiān)測(cè)，智能建筑，智能儀表和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中無(wú)處不在的節(jié)點(diǎn)。在某些情況下，無(wú)電池（或零功率）操作可帶來(lái)顯著的成本效益。對(duì)于公用事業(yè)儀表，更換電池可能花費(fèi)數(shù)百美元。在其他情況下，零功耗操作可以啟用新類別的應(yīng)用程序。例如，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，電池供電的傳感器對(duì)于埋藏的傳感器或由于成本或危險(xiǎn)而難以接近的傳感器是不切實(shí)際的。

典型的能量收集設(shè)計(jì)包括能源（如太陽(yáng)能電池），儲(chǔ)能（如電池），無(wú)線通信子系統(tǒng)和專用組件（如溫度傳感器）和超低功耗MCU（見圖1）。

圖1：無(wú)線通信子系統(tǒng)圖。

在這些設(shè)計(jì)中，能源范圍從WiFi無(wú)線電信號(hào)的1 nW/cm2收集功率到室外光線的高達(dá)100 mW/cm2。在這些水平上，很少有應(yīng)用可以直接從合理尺寸的收集能量收集器操作，例如天線或太陽(yáng)能電池或陣列。因此，設(shè)計(jì)有效的基于MCU的能量收集應(yīng)用需要仔細(xì)分析功率要求，并嚴(yán)格遵守相應(yīng)的功率預(yù)算。

事實(shí)上，能量收集的有效應(yīng)用具有一系列共同特征：低數(shù)據(jù)速率和低占空比。例如，在ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)案例研究［參考文獻(xiàn)1］中，工程師看到節(jié)點(diǎn)大約99％的時(shí)間處于睡眠狀態(tài) - 在一個(gè)典型的一分鐘周期內(nèi)僅活動(dòng)864毫秒。雖然理想化的應(yīng)用可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的，經(jīng)常重復(fù)的電流尖峰（圖2），但工程師可能會(huì)遇到更復(fù)雜的電流曲線，例如與不可靠或基于競(jìng)爭(zhēng)的應(yīng)用中的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)和通信相關(guān)的曲線（圖2b）。

（a）

（b）圖2：簡(jiǎn)單，定期重復(fù)的電流尖峰。盡管在更簡(jiǎn)單的應(yīng)用中睡眠狀態(tài)持續(xù)時(shí)間明顯占主導(dǎo)地位，但MCU在達(dá)到和維持活動(dòng)狀態(tài)時(shí)的功耗在很大程度上決定了這些應(yīng)用中的功率預(yù)算。也就是說(shuō)，實(shí)現(xiàn)有效電流和占空比的減小通常在降低總功率要求方面比實(shí)現(xiàn)低睡眠電流狀態(tài)更有效。事實(shí)上，工程師將發(fā)現(xiàn)運(yùn)行待機(jī)電流水平遠(yuǎn)低于1μA，采用先進(jìn)的超低功耗MCU，如Silicon Labs的EFM32系列，恩智浦/Jennic的JN5148-00 MCU，Microchip的PIC24F16KA102 MCU，Silicon Labs的C8051F9xx MCU系列和德州儀器（TI）的MSP430 MCU系列。超低功耗MCU通常提供多級(jí)待機(jī)操作 - 從微安范圍內(nèi)的有限待機(jī)水平到納安級(jí)范圍內(nèi)的深度睡眠水平。

在工作模式下，這些器件的有效電流水平遠(yuǎn)低于300μA/MHz。例如：

Silicon Labs的EFM32 32位Gecko系列具有180-μA/MHz有源運(yùn)行模式，睡眠電流為20 nA。

NXP/Jennic的JN5148-00 32-位MCU提供280-μA/MHz有源模式，具有100 nA的休眠電流。

Microchip的PIC24F16KA102 16位MCU在工作運(yùn)行模式下提供182μA/MHz，睡眠電流為20 nA。

Silicon Labs的C8051F9xx MCU系列具有低于170μA/MHz的有效電流，待機(jī)電流《50 nA。

德州儀器（TI）的MSP430 MCU系列提供160μA/MHz的有源狀態(tài)，待機(jī)電流《1μA。

這些數(shù)字說(shuō)明了這些MCU可用的低功率電平。然而，具體數(shù)字可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)，因?yàn)橛泄β嗜Q于特定應(yīng)用設(shè)計(jì)的特定工作頻率。

雖然有源電流要求在超低功耗設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，但MCU喚醒時(shí)的方式和效率也會(huì)影響所需的功率預(yù)算。在從睡眠狀態(tài)到活動(dòng)狀態(tài)的延長(zhǎng)過(guò)渡期間所需的增加的功率是浪費(fèi)的功率 - 對(duì)于試圖從環(huán)境中收獲幾毫瓦的應(yīng)用而言是嚴(yán)重的并發(fā)癥（參見圖3）。

圖3：從睡眠狀態(tài)到活動(dòng)狀態(tài)的延長(zhǎng)轉(zhuǎn)換期間所需的功率增加是浪費(fèi)功率。

根據(jù)應(yīng)用的不同，不同的睡眠 - 喚醒方案可能會(huì)有所不同創(chuàng)造顯著不同的工作周期。此外，雖然提供此類MCU的半導(dǎo)體制造商通常會(huì)引用1到2μs的喚醒時(shí)間，但實(shí)際喚醒時(shí)間取決于工作頻率。這需要在與更高頻率操作相關(guān)聯(lián)的增加的總功率和與更快的喚醒時(shí)間相關(guān)的更有效的操作之間進(jìn)行平衡。因此，設(shè)計(jì)基于能量收集的應(yīng)用的工程師需要考慮喚醒曲線及其對(duì)總功率的貢獻(xiàn)。

對(duì)于先進(jìn)的超低功耗16位和32位MCU，當(dāng)前產(chǎn)品的顯著差異在于片上子系統(tǒng)的可用性，特別是I/O通道，時(shí)鐘管理，模數(shù)轉(zhuǎn)換器和無(wú)線通信組件（圖4）。每個(gè)片外信號(hào)偏移都會(huì)消耗額外的功率，如果MCU必須首先激活靜態(tài)外部子系統(tǒng)，則進(jìn)一步的喚醒延遲變得不可避免。另一方面，包含應(yīng)用所不需要的片上組件可能會(huì)威脅到能量收集設(shè)計(jì)超過(guò)其功率預(yù)算。因此，半導(dǎo)體制造商將其超低功耗MCU內(nèi)核與特定應(yīng)用領(lǐng)域所需的各種組件進(jìn)行混合搭配。每個(gè)制造商的MCU系列可能包括針對(duì)特定超低功耗應(yīng)用的多個(gè)部件，以及片上轉(zhuǎn)換器和通信子系統(tǒng)的不同組合。

圖4：I/O通道，時(shí)鐘管理，模數(shù)轉(zhuǎn)換器和無(wú)線通信組件。

對(duì)于希望采用能量收集技術(shù)的工程師新設(shè)計(jì)，大多數(shù)超低功耗MCU制造商提供的開發(fā)套件將其旗艦MCU與各種能源傳感器和存儲(chǔ)設(shè)備相結(jié)合，并在完整的電路板上提供參考軟件套件。兩個(gè)流行的開發(fā)套件包括：

Microchip的XLP 16位能量收集開發(fā)套件將其PIC24F16KA102與Cymbet的EnerChip薄膜存儲(chǔ)器件相結(jié)合（圖5）

德州儀器的eZ430-RF2500- SEH太陽(yáng)能收集開發(fā)套件包括TI的MSP430，Cymbet的薄膜EnerChip器件和高效率的2.25 x 2.25英寸太陽(yáng)能電池板，優(yōu)化用于在室內(nèi)低強(qiáng)度熒光燈下工作。

圖5：Microchip的XLP 16位能量收集開發(fā)套件。