毫微功耗技术如何实现智能能源

在2011年，我们看到了很多关于智能能源的兴奋。例如，北美的公用事业公司正忙于安装智能电表。在巴西，该国的电力监管机构Agencia Nacional de Energia Eletrica因其呼吁为该国建造一个完整的智能电表而引起了极大的兴奋。在欧洲，几家公用事业公司正在创建自己独特的智能电表通信方式。

当时引起了更多的轰动，许多公司都在推广家庭局域网（HAN）解决方案。周围有令人兴奋的愿景，包括每台洗衣机、烘干机、冰箱上的能源测量设备......甚至灯泡。每个设备都可以方便地通过ZigBee，蓝牙或其他低功耗，短距离通信协议与家庭路由器通信。

快进到今天，智能电表已安装在北美大部分地区以及欧洲和亚洲的许多国家。公用事业公司正在监控电力使用情况。他们还通过消除抄表员来节省一些费用，这些抄表员会走过社区手动读取每个电表。然而，完整的智能能源建设的愿景是不同的。例如，我们并没有真正测量每个灯泡上的能量，这可能是由于此类系统的高成本与运行灯的能源成本相比。进一步降低这种能源成本的是低能耗的光源，如紧凑型荧光灯泡和LED。也许我们只是在某些粒度级别上最大化了对数据的需求。然而，这种情况不应引起绝望。毕竟，虽然智能能源的一个愿景没有成为现实，但仍有许多美好的进步正在支持新的愿景。

以咖啡为例。十年前，北美的大多数人和餐馆都在玻璃或陶瓷壶中煮咖啡，然后将其放在燃烧器上以保持温暖。那个燃烧器不仅消耗能量，而且还慢慢煮熟了咖啡，破坏了味道。当有人想到将咖啡放入热水瓶中以保持咖啡的热量时，咖啡饮用者会很高兴。这一步使咖啡“离线”，因为它不再连接到电网。因此，咖啡制作消耗的能量更少，并且会产生更好的饮料。对于智能能源的一个很好的例子来说，这是怎么回事？

咖啡示例与工程系统的其他概念相似，这些概念既能最大限度地提高性能，又能节省能源。一个伟大的进步是毫微功耗技术，其中某些部件的电流消耗处于静止状态 - 不工作，但也没有完全关闭。较新的产品利用先进的模拟CMOS工艺技术，以纳安电流工作，其标称电流几乎无法测量。这些系统具有两大节能优势：首先是占空比，其次是分散功耗架构。接下来，让我们看一些提供毫微功耗技术优势的器件和电路示例。

烟雾探测器是最早的物联网（IoT）设备之一。通常，它们预计使用电池运行 10 年，支持不频繁的电池更换和停电期间的运行。图1显示了典型的现代烟雾报警器框图，该报警器具有电池、多个DC/DC转换器、微控制器、RF通信、传感器（可能是多种架构）和压电蜂鸣器。表1中基于现代组件的每个模块的电流消耗值示例值。在光学烟雾传感器的情况下，运行LED的峰值电流将在mA范围内，但随着LED通常以相对不频繁的速度循环，平均电流会下降。在大多数报警器中，有源电路只能在0.05%的时间内对空气进行采样。因此，在 99.95% 的时间内，系统以静态模式运行。不考虑RF电路可能具有完全不同的占空比，全功率模式下的主电路将消耗11mA。在静态期间，主电路的功耗为5.5μA。因此，有源电路每秒平均消耗的电流为11mA X 0.0005 = 5.5μA，这意味着平均电流消耗为11μA。 请注意，任何高于 10μA 的静态电流都会开始影响系统电池寿命。因此，在 1500μA 电流消耗范围内，每增加 μA 电流，一年内就会影响 <>mAhr 的电池寿命。

图1.典型的现代烟雾探测器
框图

部分	典型工作电流	典型静态电流
微控制器	10毫安	2.5μA
传感器	1毫安	2.5μA
直流/直流*	3.5μA	500n安

*DC/DC 功耗基于 50mA 的输出电流，效率为 ~77%。

毫微功耗技术还通过关闭系统内电路的能力提供了优势。在这种类型的架构中，电池监控和实时时钟等关键组件保持开启状态。微控制器和RF电路等主要功耗者要么关闭，要么进入最低功耗模式。图2中的电路示出了用于监视电池电压的毫微功耗窗口比较器。比较器提供有价值的安全功能，仅在电池高于或低于允许电压时发送警报。系统微控制器不必工作，除非它收到来自比较器的报警，该比较器的典型电流为900nA。从本质上讲，这变成了一种智能能源架构：它尽可能多地保存能源，同时剥离必须始终保持开启的功能的特定电路。

图2.毫微功耗窗口比较器，用于监视电池电压

展示毫微功耗技术优势的最后一个示例是来自壁式电源适配器或电池的电源，通常称为ORing二极管电源。在这种电源中，优秀的设计人员会放置一个肖特基二极管与电池电源串联。这种方法限制了压降，从而限制了二极管两端的功率损耗，同时仍然保护了电路。例如，新型MAX40200理想二极管电流开关在承载85A电流时压降低至1mV，在载波43mA电流时典型降500mV。这种性能比典型的肖特基二极管高出两到四倍，巧妙地节省了数十到数百毫瓦的电池电量。

就像我们的咖啡示例一样，智能能源架构正在发生变化。各种子系统基本上与中央处理器断开连接并定期检查，从而大大降低了能耗。凭借先进的处理和模拟架构，这些构建模块现在消耗的功耗前所未有。然而，新的智能能源运动不仅仅是能源测量和通信。新的智能能源包括一个智能系统架构，结合先进的组件，共同提高系统电池寿命和可靠性，在此过程中解锁新的应用。

审核编辑：郭婷