毫微功耗技術(shù)如何實現(xiàn)智能能源

在2011年，我們看到了很多關(guān)于智能能源的興奮。例如，北美的公用事業(yè)公司正忙于安裝智能電表。在巴西，該國的電力監(jiān)管機構(gòu)Agencia Nacional de Energia Eletrica因其呼吁為該國建造一個完整的智能電表而引起了極大的興奮。在歐洲，幾家公用事業(yè)公司正在創(chuàng)建自己獨特的智能電表通信方式。

當(dāng)時引起了更多的轟動，許多公司都在推廣家庭局域網(wǎng)（HAN）解決方案。周圍有令人興奮的愿景，包括每臺洗衣機、烘干機、冰箱上的能源測量設(shè)備......甚至燈泡。每個設(shè)備都可以方便地通過ZigBee，藍(lán)牙或其他低功耗，短距離通信協(xié)議與家庭路由器通信。

快進到今天，智能電表已安裝在北美大部分地區(qū)以及歐洲和亞洲的許多國家。公用事業(yè)公司正在監(jiān)控電力使用情況。他們還通過消除抄表員來節(jié)省一些費用，這些抄表員會走過社區(qū)手動讀取每個電表。然而，完整的智能能源建設(shè)的愿景是不同的。例如，我們并沒有真正測量每個燈泡上的能量，這可能是由于此類系統(tǒng)的高成本與運行燈的能源成本相比。進一步降低這種能源成本的是低能耗的光源，如緊湊型熒光燈泡和LED。也許我們只是在某些粒度級別上最大化了對數(shù)據(jù)的需求。然而，這種情況不應(yīng)引起絕望。畢竟，雖然智能能源的一個愿景沒有成為現(xiàn)實，但仍有許多美好的進步正在支持新的愿景。

以咖啡為例。十年前，北美的大多數(shù)人和餐館都在玻璃或陶瓷壺中煮咖啡，然后將其放在燃燒器上以保持溫暖。那個燃燒器不僅消耗能量，而且還慢慢煮熟了咖啡，破壞了味道。當(dāng)有人想到將咖啡放入熱水瓶中以保持咖啡的熱量時，咖啡飲用者會很高興。這一步使咖啡“離線”，因為它不再連接到電網(wǎng)。因此，咖啡制作消耗的能量更少，并且會產(chǎn)生更好的飲料。對于智能能源的一個很好的例子來說，這是怎么回事？

咖啡示例與工程系統(tǒng)的其他概念相似，這些概念既能最大限度地提高性能，又能節(jié)省能源。一個偉大的進步是毫微功耗技術(shù)，其中某些部件的電流消耗處于靜止?fàn)顟B(tài) - 不工作，但也沒有完全關(guān)閉。較新的產(chǎn)品利用先進的模擬CMOS工藝技術(shù)，以納安電流工作，其標(biāo)稱電流幾乎無法測量。這些系統(tǒng)具有兩大節(jié)能優(yōu)勢：首先是占空比，其次是分散功耗架構(gòu)。接下來，讓我們看一些提供毫微功耗技術(shù)優(yōu)勢的器件和電路示例。

煙霧探測器是最早的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備之一。通常，它們預(yù)計使用電池運行 10 年，支持不頻繁的電池更換和停電期間的運行。圖1顯示了典型的現(xiàn)代煙霧報警器框圖，該報警器具有電池、多個DC/DC轉(zhuǎn)換器、微控制器、RF通信、傳感器（可能是多種架構(gòu)）和壓電蜂鳴器。表1中基于現(xiàn)代組件的每個模塊的電流消耗值示例值。在光學(xué)煙霧傳感器的情況下，運行LED的峰值電流將在mA范圍內(nèi)，但隨著LED通常以相對不頻繁的速度循環(huán)，平均電流會下降。在大多數(shù)報警器中，有源電路只能在0.05%的時間內(nèi)對空氣進行采樣。因此，在 99.95% 的時間內(nèi)，系統(tǒng)以靜態(tài)模式運行。不考慮RF電路可能具有完全不同的占空比，全功率模式下的主電路將消耗11mA。在靜態(tài)期間，主電路的功耗為5.5μA。因此，有源電路每秒平均消耗的電流為11mA X 0.0005 = 5.5μA，這意味著平均電流消耗為11μA。 請注意，任何高于 10μA 的靜態(tài)電流都會開始影響系統(tǒng)電池壽命。因此，在 1500μA 電流消耗范圍內(nèi)，每增加 μA 電流，一年內(nèi)就會影響 <>mAhr 的電池壽命。

圖1.典型的現(xiàn)代煙霧探測器
框圖

*DC/DC 功耗基于 50mA 的輸出電流，效率為 ~77%。

毫微功耗技術(shù)還通過關(guān)閉系統(tǒng)內(nèi)電路的能力提供了優(yōu)勢。在這種類型的架構(gòu)中，電池監(jiān)控和實時時鐘等關(guān)鍵組件保持開啟狀態(tài)。微控制器和RF電路等主要功耗者要么關(guān)閉，要么進入最低功耗模式。圖2中的電路示出了用于監(jiān)視電池電壓的毫微功耗窗口比較器。比較器提供有價值的安全功能，僅在電池高于或低于允許電壓時發(fā)送警報。系統(tǒng)微控制器不必工作，除非它收到來自比較器的報警，該比較器的典型電流為900nA。從本質(zhì)上講，這變成了一種智能能源架構(gòu)：它盡可能多地保存能源，同時剝離必須始終保持開啟的功能的特定電路。

圖2.毫微功耗窗口比較器，用于監(jiān)視電池電壓

展示毫微功耗技術(shù)優(yōu)勢的最后一個示例是來自壁式電源適配器或電池的電源，通常稱為ORing二極管電源。在這種電源中，優(yōu)秀的設(shè)計人員會放置一個肖特基二極管與電池電源串聯(lián)。這種方法限制了壓降，從而限制了二極管兩端的功率損耗，同時仍然保護了電路。例如，新型MAX40200理想二極管電流開關(guān)在承載85A電流時壓降低至1mV，在載波43mA電流時典型降500mV。這種性能比典型的肖特基二極管高出兩到四倍，巧妙地節(jié)省了數(shù)十到數(shù)百毫瓦的電池電量。

就像我們的咖啡示例一樣，智能能源架構(gòu)正在發(fā)生變化。各種子系統(tǒng)基本上與中央處理器斷開連接并定期檢查，從而大大降低了能耗。憑借先進的處理和模擬架構(gòu)，這些構(gòu)建模塊現(xiàn)在消耗的功耗前所未有。然而，新的智能能源運動不僅僅是能源測量和通信。新的智能能源包括一個智能系統(tǒng)架構(gòu)，結(jié)合先進的組件，共同提高系統(tǒng)電池壽命和可靠性，在此過程中解鎖新的應(yīng)用。

審核編輯：郭婷