制定確保產品達到目標使用壽命的能源預算可能是一種“黑色藝術”，但有一些相對簡單的技術可以幫助工程師實現性能和功耗的正確平衡。本系列的第I部分提供了通常在低功耗無線節點中發現的系統元件的故障，并研究了最常用的能量收集和電池元件的容量和特性。第二部分將提供一種簡單的方法來開發一階能量預算，該預算可用于確保預期的能量收集系統或電池的尺寸適合設計。接下來是一些微調設計的策略，以延長使用壽命或適應可用電源的限制。

定義您的要求

系統及其能量預算始于對其預期任務，將執行的活動以及所需服務壽命的全面定義（圖1）。需要考慮的一些重要參數包括：

服務環境 - 系統的使用壽命和工作溫度范圍是多少？

采樣模式/采樣率 - 應該使用哪些模擬和數字輸入設計監控器，以及頻率如何？哪些輸入是按計劃采樣的，哪些是由外部刺激觸發的？

收集了多少數據以及對數據應用了多少本地處理？

系統是否與其他節點或主機節點通信？如果是，是通過有線還是無線鏈接？

系統通信的頻率，以及在此過程中交換了多少數據？

根據這些要求，工程師可以使用低功耗MCU和應用所需的任何其他LDO，RTC/定時器，I/O或通信電路來開發初步設計。

圖1：確定嵌入式系統各種工作模式的相對功耗是開發和管理能源預算的重要部分（由Silicon Labs提供）。

作為一個例子，我們將使用基于Microchip Technologies的16位PIC16LF1826 MCU的相對簡單的數據記錄傳感器（圖2）。系統規范要求它每100 ms采樣一次。 MCU在其RAM中采集32個采樣后，數據將寫入外部EEPROM。系統在樣本組之間等待50秒，并且需要5毫秒來存儲收集的數據。

圖2：基于簡單數據采集系統的示意圖PIC16 MCU（由Microchip Technologies提供）。

定義電源狀態

要測量系統的最大動態功耗，請使用示波器監控分流電阻兩端的電壓（通常為10） -100Ω）與電源串聯。可以使用一個簡單的程序將系統置于活動狀態，該程序可以運行I/O，內存以及在其最活躍的操作階段將使用的其他外圍設備。如果不可用，可以通過將每個元件數據手冊中列出的工作電流額定值加上終端電路或電容負載施加的任何重大負載來確定相對準確的估算值。

了解系統的最大動態如果使用高阻抗電池（例如紐扣電池）或能量收集電源（通常將其電力存儲在薄膜電池中）供電，則電流尤其重要。這是因為如果系統的最大電流過高，將導致電源內的過多損耗。在許多情況下，可以降低系統時鐘速度，收發器數據速率或依次激活和停用各種功能模塊，以使峰值電流保持在電源的限制范圍內。

還必須定義系統的靜態電流消耗。因為它通常在幾十或幾百nA的范圍內，所以實際測量可能很困難，但可以從處理器的數據表和任何其他元件（通常是外部RTC，LDO和傳感器）中的空閑電流規范中做出有用的估計。系統處于“深度睡眠”模式時，它將保持活動狀態。

建立電源配置文件

系統電源配置文件提供了查看所需能量的結構支持每個系統的運行狀態（包括睡眠/待機）以及他們在每個州花費的時間。它允許設計人員選擇基準電源并將其優化工作集中在系統最大的“能量匯”上。這個相當簡單的過程包括列出設計的運行狀態/模式，以及功耗和相對持續時間。每種模式。例如，圖2中系統的操作模式在下表中表征（圖3）。此處顯示的示例沒有數據收發器，因此它只有幾種模式（即睡眠，初始化，讀取傳感器，過程數據，存儲數據等）。如果在將來的升級中添加了額外的I/O元件，有線或無線收發器，則可以將其他模式合并到配置文件中。

無論有多少模式，功率配置表都由以下創建：

列出支持每個狀態/模式所需的各個系統元素，每個元素的功耗以及在給定時間段內在該狀態下花費的相對時間量。如果可以使用工作原型，則可以憑經驗推導出功率水平。如果硬件不可用，可以根據組件數據表和系統操作要求進行估算;和

通過將其運行功率乘以在該模式下花費的時間來計算每種狀態/模式所消耗的總能量。

圖3：系統電源配置表（由Microchip Technologies提供）。

系統電源配置文件的數據可以輕松計算系統的活動模式的平均電流。這是通過計算每種工作模式下消耗的電荷總數來計算的，即（3200 ms x0.8μA）+（0.32 ms x0.8μA）+ 1.28 ms x166.5μA）并將其除以其模式時間的總和（ 3206.6 ms），平均電流為2.788μA。系統電源配置文件還清楚地將縮放操作標識為具有1.3 mA峰值電流的模式（圖4）。

圖4：視覺表示應用程序的電源配置文件（由Microchip Technologies提供）。

警告

盡管這項技術很有用，但重要的是要了解它計算應用程序的平均電流，并假設它的清醒活動遵循一個相當可預測的模式，主要取決于其RTC，車載計時器或其他定期發生的事件的提示。如果應用程序的喚醒時間和活動受到非確定性外部激勵的嚴重影響，例如運動傳感器，模擬比較器輸出或與其他傳感器網絡元件的交互，則建議根據驅動的使用方案開發電源配置文件系統具有比典型應用程序中預期更多的活動。在大多數情況下，這仍然意味著MCU將在休眠或低功耗待機模式下花費99.9％或更多時間。

還應注意，這種簡化方法不會影響“喚醒時間”，指MCU從休眠模式返回時的功耗時間，但其時鐘振蕩器尚不足以允許執行指令（圖5）。根據特定的MCU和使用的睡眠模式，這可以在50 ns和1 ms之間，并且可以占有活動周期短的系統中功率預算的相當大一部分。但是，如果系統的喚醒時間超過其活動周期的1/10-1/20，通常只會引起關注。

圖5：在喚醒期間，MCU在等待其時鐘振蕩器穩定到足以允許執行程序代碼時消耗功率（由STMicroelectronics提供）

能源考慮因素

構建的一階模型將允許工程師將系統的平均電流消耗與特定能量收集或電池電源的可用能量進行比較。請記住，能量收集系統中的電池尺寸限制需要創造性和創新，以便最大限度地提高電源效率（參見TechZone文章“能量收集設計中的最佳電源管理技術”）。

取決于他們希望的使用壽命和功率要求，工程師可能計劃用能量收集解決方案替換的大多數電池系統使用標準的堿性或鋰電池，有多種標準形狀因數/容量（圖6）。

圖6：常見電池化學特性

電池實際可供電的實際功率取決于許多因素，包括工作溫度和速度它被解雇了。由于低功耗嵌入式系統具有相對較低的電流要求，因此通常可以安全地假設電池的大部分或全部理論容量可用。對于像Energizer 3-315這樣的堿性AA電池，這通常為2500-2900 mAh;對于像Energizer 3-3121這樣的AAA電池，這通常為1000-1200 mAh。

基于鋰的電池具有稍高的容量并且顯著更長生命（長達15年）和更廣泛的溫度范圍。鋰紐扣電池可提供30 mAh（CR1025）至600 mAh（CR2450），Energizer L92 AAA電池可提供1200 mAh。

平均可用電流（IA）可使用以下公式計算：/p》

IA =（總容量 - 保證金）/總小時數（服務年數x 365x24）

注 - 如果系統在中等溫度范圍內運行（通常在0到25攝氏度之間） ）等式中的保證金系數= 0.對于在較溫暖的環境中操作，應根據制造商的數據降低電池的容量。

例如，如果CR2450鋰紐扣電池應該提供12年的使用壽命，它可以支持高達630（12x365x24）mA（5.99μA）的平均負載。相比之下，典型的鋰AA電池具有15年的保質期，可以支持23.78μA的平均負載。

識別和調整主要功率接收器

您構建的功率配置文件現在可用于識別降低系統功耗以延長其使用壽命的機會。由于典型的遙感節點大部分時間都處于待機/滲透模式，因此通常采用以下策略來啟動優化過程：

只要可行，使用休眠/待機模式，可以使用片上硬件執行自動數據采集和存儲，而無需喚醒MCU。但是如果數據采集周期很少，它仍然可以節省更多的能量，使系統在讀數之間進入完全關斷模式。

對于某些處理器，例如Energy Micro的Gecko系列和Silicon Labs C8051F91x在家庭中，值得研究一種待機狀態與低功耗睡眠狀態之間的權衡。通常，RAM友好睡眠模式消耗的能量低于從冷啟動恢復內存所需的能量。

工程師的電源配置文件還應該揭示活動模式的一個或多個方面操作，可以進行功率優化。主動模式能量管理的一些最常見的策略包括：

仔細考慮系統時鐘速度對功耗的影響。一般而言，以更快的速度運行MCU可以通過快速執行代碼并在休眠/待機模式下花費更多時間來節省能源。

小心，因為如果MCU必須頻繁，任何省電都會丟失花時間等待其他系統元素（I/O，A/D轉換器，內存等）來完成其任務。對于涉及訪問非易失性存儲器（尤其是串行EEPROM）的操作尤其如此。這些設備的讀/寫周期的延遲可以輕松地使MCU保持比工程師或系統電池所需的更長的時間。

對于這些“長帳桿”操作，尋找其他可以操作的操作并行運行，并且在可能的情況下，使用專用外圍設備在CPU占用時執行功能。

由于無線電系統通常比CPU更耗電（通常大約為10到20 mA）對于Tx而言，Rx功能甚至更多，通常最好使用系統鏈路預算可靠支持的最快數據速率。但是，要注意保持在許多能量收集源和一些電池的有限電流能力范圍內。