IOT超低功耗設(shè)計應(yīng)用筆記
[導(dǎo)讀]IOT低功耗設(shè)備設(shè)計大致為3個方面的設(shè)計：器件選型、電路設(shè)計、軟件設(shè)計、續(xù)航壽命估算——器件選型典型的器件包括：單片機(jī)MCU、電源芯片、通訊模組等。單片機(jī)——1.選擇具備多種低功耗工作模式的MCU，如國民技術(shù)N32G4FR系列MCU支持5種低功耗模式（Sleep，Stop0，St...
IOT低功耗設(shè)備設(shè)計大致為3個方面的設(shè)計：器件選型、電路設(shè)計、軟件設(shè)計、續(xù)航壽命估算——器件選型典型的器件包括：單片機(jī)MCU、電源芯片、通訊模組等。單片機(jī)——1.選擇具備多種低功耗工作模式的MCU，如國民技術(shù)N32G4FR系列MCU支持5種低功耗模式（Sleep，Stop0，Stop2，Standby，VBat），開啟帶有RTC喚醒的Stop模式可讓功耗盡可能低；
2.支持寬范圍供電，如1.8-3.3V，在不需要大電流供電的模式下，使用1.8V供電可以讓MCU處于更低功耗的狀態(tài)；3.不使用的IO配置為模擬輸入，模擬輸入模式下漏電流最低；關(guān)于MCU的超低功耗設(shè)計，參考該篇文字《STM32芯片超低功耗設(shè)計思路》電源芯片——
1.選擇更高效率的電源IC，開關(guān)電源DC-DC的效率高于LDO，特別在高壓差、大電流的情況下，DC-DC具備更高的能效優(yōu)勢，對于常供電的IC，關(guān)注靜態(tài)電流值，對于帶EN管腳的IC，關(guān)注Shutdown電流值；2.LDO的成本比DC-DC低，且在低壓差、低電流的情況下，具備低功耗特性的LDO也可做考慮，如圣邦微的SGM2034，靜態(tài)漏電流為1uA；關(guān)于LDO與DC-DC的效能優(yōu)勢對比，參考該篇文字《LDO與DC-DC 的入門理解》通訊模組——1.通訊模組中的MCU部分可參考單片機(jī)的的低功耗設(shè)計，本質(zhì)上具備一致性；2.2.4G的通訊模組，ZigBee低功耗具備更大優(yōu)勢，BLE藍(lán)牙Mesh這兩年間也開始逼近ZigBee，WiFi則比較大，同等條件下，ZigBee的發(fā)射電流可以做到50mA以內(nèi)，而WiFi的發(fā)射電流一般要大于300mA，加上心跳包對接時間的差異，具備快聯(lián)特性的WiFi可能需要10ms，而ZigBee可能只需要3-5ms。3.通訊模組OTA的功耗 > 搜網(wǎng)功耗 > 靜態(tài)功耗。另外，網(wǎng)關(guān)信號正常與異常，也會導(dǎo)致通訊模組在搜網(wǎng)時的功耗有所不同。
電路設(shè)計1. 對于耗電比較大的器件，使用獨立IC供電，并盡可能做到可獨立關(guān)斷供電回路，在非常供電的狀態(tài)下切斷供電回路；2. 對于上下拉電阻，在確保信號抗干擾度良好的前提下，盡可能使用高阻值；如對于1K的上拉電阻，當(dāng)電流回路對地時，產(chǎn)生3300uA的電流，而對于100K的上拉電阻，則為33uA。當(dāng)然，對于外界的工頻干擾等，同樣的條件下，10K的上拉電阻具備更高的抗干擾度；3.電池電量檢測采用分壓電阻時可使用1M左右的阻值，由于涉及單片機(jī)ADC阻抗匹配的不同（關(guān)于ADC阻抗匹配，可參考《單片機(jī)讀取外部電壓ADC阻抗匹配問題》），建議在信號的采集中間加上一級電壓跟隨器，該跟隨器需要低功耗或者需要單獨供電，避免無謂的電量損耗；4.對于有光顯示的場景，如LED指示等，盡可能降低LED亮度。
軟件設(shè)計
軟件設(shè)計更多地體現(xiàn)在如何驅(qū)動硬件進(jìn)入低功耗模式，如：開啟單片機(jī)RTC喚醒的Stop模式；控制電源的EN管腳進(jìn)入非常供電模式；GPIO的模擬輸入模式；通訊模組在發(fā)送完成數(shù)據(jù)之后，立即關(guān)閉UDP連接，盡可能降低大電流模式持續(xù)時間
續(xù)航壽命估算1.對于靜態(tài)電流，可使用萬用表進(jìn)行測量（如Fluke的17B ），由于萬用表的采樣率較低，且所呈現(xiàn)的數(shù)值為測量有效值，因此對于動態(tài)電流，如設(shè)備的間隔性心跳包電流，則需要使用采樣率更高的儀器進(jìn)行測量，如Keysight的N6705C；（關(guān)于低功耗測量儀器，可參考《淺談4款低功耗電流測試“神器”》）2.嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓挠嬎阒?，需考慮電池的自放電率，即電池即使在不使用的條件下，自身的電化學(xué)物質(zhì)也會產(chǎn)生一定的反應(yīng)自我消耗，特別是可充電的鎳鎘電池；3.簡單舉一個低功耗設(shè)備續(xù)航時間計算的例子：
假設(shè)電池容量250mAh，10分鐘發(fā)送一次心跳包對接網(wǎng)絡(luò)，每次5秒30mA瞬時電流，待機(jī)20uA電流，可做如下推算：單次對接網(wǎng)絡(luò)耗電：30mA x 5s = 150mAs = 41.66uAh；一天對接網(wǎng)絡(luò)次數(shù)：(24h x 60)÷10 = 144次；一天對接網(wǎng)絡(luò)總時間：5s x 144 = 720s；一天待機(jī)總時間：(24h x 3600)s - 720s = 85680s = 23.8h；一天總功耗：(23.8h x 20uA) (144 x 41.66uAh) = 6475.04uAh = 6.48mAh；可使用天數(shù)：250mAh ÷ 6.48mAh ≈ 39天
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2.支持寬范圍供電，如1.8-3.3V，在不需要大電流供電的模式下，使用1.8V供電可以讓MCU處于更低功耗的狀態(tài)；3.不使用的IO配置為模擬輸入，模擬輸入模式下漏電流最低；關(guān)于MCU的超低功耗設(shè)計，參考該篇文字《STM32芯片超低功耗設(shè)計思路》電源芯片——
1.選擇更高效率的電源IC，開關(guān)電源DC-DC的效率高于LDO，特別在高壓差、大電流的情況下，DC-DC具備更高的能效優(yōu)勢，對于常供電的IC，關(guān)注靜態(tài)電流值，對于帶EN管腳的IC，關(guān)注Shutdown電流值；2.LDO的成本比DC-DC低，且在低壓差、低電流的情況下，具備低功耗特性的LDO也可做考慮，如圣邦微的SGM2034，靜態(tài)漏電流為1uA；關(guān)于LDO與DC-DC的效能優(yōu)勢對比，參考該篇文字《LDO與DC-DC 的入門理解》通訊模組——1.通訊模組中的MCU部分可參考單片機(jī)的的低功耗設(shè)計，本質(zhì)上具備一致性；2.2.4G的通訊模組，ZigBee低功耗具備更大優(yōu)勢，BLE藍(lán)牙Mesh這兩年間也開始逼近ZigBee，WiFi則比較大，同等條件下，ZigBee的發(fā)射電流可以做到50mA以內(nèi)，而WiFi的發(fā)射電流一般要大于300mA，加上心跳包對接時間的差異，具備快聯(lián)特性的WiFi可能需要10ms，而ZigBee可能只需要3-5ms。3.通訊模組OTA的功耗 > 搜網(wǎng)功耗 > 靜態(tài)功耗。另外，網(wǎng)關(guān)信號正常與異常，也會導(dǎo)致通訊模組在搜網(wǎng)時的功耗有所不同。
電路設(shè)計1. 對于耗電比較大的器件，使用獨立IC供電，并盡可能做到可獨立關(guān)斷供電回路，在非常供電的狀態(tài)下切斷供電回路；2. 對于上下拉電阻，在確保信號抗干擾度良好的前提下，盡可能使用高阻值；如對于1K的上拉電阻，當(dāng)電流回路對地時，產(chǎn)生3300uA的電流，而對于100K的上拉電阻，則為33uA。當(dāng)然，對于外界的工頻干擾等，同樣的條件下，10K的上拉電阻具備更高的抗干擾度；3.電池電量檢測采用分壓電阻時可使用1M左右的阻值，由于涉及單片機(jī)ADC阻抗匹配的不同（關(guān)于ADC阻抗匹配，可參考《單片機(jī)讀取外部電壓ADC阻抗匹配問題》），建議在信號的采集中間加上一級電壓跟隨器，該跟隨器需要低功耗或者需要單獨供電，避免無謂的電量損耗；4.對于有光顯示的場景，如LED指示等，盡可能降低LED亮度。
軟件設(shè)計
軟件設(shè)計更多地體現(xiàn)在如何驅(qū)動硬件進(jìn)入低功耗模式，如：開啟單片機(jī)RTC喚醒的Stop模式；控制電源的EN管腳進(jìn)入非常供電模式；GPIO的模擬輸入模式；通訊模組在發(fā)送完成數(shù)據(jù)之后，立即關(guān)閉UDP連接，盡可能降低大電流模式持續(xù)時間
續(xù)航壽命估算1.對于靜態(tài)電流，可使用萬用表進(jìn)行測量（如Fluke的17B ），由于萬用表的采樣率較低，且所呈現(xiàn)的數(shù)值為測量有效值，因此對于動態(tài)電流，如設(shè)備的間隔性心跳包電流，則需要使用采樣率更高的儀器進(jìn)行測量，如Keysight的N6705C；（關(guān)于低功耗測量儀器，可參考《淺談4款低功耗電流測試“神器”》）2.嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓挠嬎阒?，需考慮電池的自放電率，即電池即使在不使用的條件下，自身的電化學(xué)物質(zhì)也會產(chǎn)生一定的反應(yīng)自我消耗，特別是可充電的鎳鎘電池；3.簡單舉一個低功耗設(shè)備續(xù)航時間計算的例子：
假設(shè)電池容量250mAh，10分鐘發(fā)送一次心跳包對接網(wǎng)絡(luò)，每次5秒30mA瞬時電流，待機(jī)20uA電流，可做如下推算：單次對接網(wǎng)絡(luò)耗電：30mA x 5s = 150mAs = 41.66uAh；一天對接網(wǎng)絡(luò)次數(shù)：(24h x 60)÷10 = 144次；一天對接網(wǎng)絡(luò)總時間：5s x 144 = 720s；一天待機(jī)總時間：(24h x 3600)s - 720s = 85680s = 23.8h；一天總功耗：(23.8h x 20uA) (144 x 41.66uAh) = 6475.04uAh = 6.48mAh；可使用天數(shù)：250mAh ÷ 6.48mAh ≈ 39天
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