進一步加速采用有一些驅動因素，例如通過使用新的“Matter”協議在不同設備和移動應用程序之間實現更好的互操作性，現在所有級別的制造商都支持這種協議。另一個驅動因素是能夠在有用的時間內使用電池運行 - 如果設備需要本地交流電源運行或需要定期更換電池，物聯網的一些優勢就會喪失，特別是在計算安裝和勞動力成本的工業和商業應用中。對于具有以太網連接的設備，以太網供電是一種解決方案，但隨著無線通信現在成為節省成本的標準，此選項已經消退。需要對功耗進行管理，以便安裝的電池將持續預期的設備使用壽命，十年是公認的數字。為了說明這一點，如果器件由典型容量為2Ah的單個鋰離子電池供電，則需要從12.43V電池中汲取小于3μA或6μW的平均值，使用壽命為<>年。

對于其他個人應用，例如可穿戴設備，充電或更換電池可能不是這樣的強加，但由于尺寸限制，通常只能使用容量低的紐扣電池，因此，必須最小化功耗并最大化運行時間以使設備具有吸引力。

功率降低方案

典型的物聯網設備包括處理器、傳感器接口、內存和無線模塊。對于處理器，可以采用各種技術來降低功耗，其中之一是能夠最初配置組件以僅激活特定應用所需的最少功能數量，從而最大限度地減少活動內核門的數量。通常通過使用可配置的 CPU 硬件擴展以及降低時鐘頻率來減少使用的能量。這可能會限制功能，因此動態 CPU 時鐘頻率更改是根據處理需求“動態”實現的。此外，當不需要處理時，可以實現“空閑”或“睡眠”模式?！拜p度睡眠”模式可能會暫停CPU和內部時鐘，而“深度睡眠”可能會禁用除實時時鐘和電路之外的所有內容，以響應“喚醒”呼叫。

同樣，較低的CPU電源電壓可降低動態和靜態泄漏損耗，但也會降低處理速度，因此使用應用“動態電壓縮放”的有源方案來根據所需的功能定制電壓。

物聯網設備中的內存消耗功率， 可以與無線功能使用的能量交換.隨著工業物聯網（IIoT）中“邊緣”計算的實施越來越多，其中數據的預處理和聚合在物聯網設備上執行，通常在“云”中進行集中處理所需的發送/接收周期更少。由于收發器模塊通常是最耗電的元件，因此在本地處理的讀/寫周期中，本地RAM中一點額外功率的開銷是值得的。通過實施休眠模式并將電源電壓動態調整到所需的最小值，可以再次將內存功耗降至最低。

收發器模塊可以使用從3/4/5G到Wi-Fi、藍牙、Zigbee等多種協議。數據吞吐量通常與功耗進行權衡， 1+ 公里范圍內的 LoRA/LoRaWAN 和 NM-IoT 通常是最低的， 但數據速率小于 1 Mbps.例如，對于短距離，藍牙LE和Zigbee因其較低的功耗而受到青睞，例如Wi-Fi。圖 1 顯示了藍牙、藍牙 LE、Zigbee 和 Wi-Fi 模塊的一些比較數字，從 [2] 和 [3] 值獲取的數據取決于設備的確切配置，但給出了功耗差異的指示。

圖1：常用網絡技術的相對功耗

通常，建議將傳輸活動限制為聚合數據并限制“推送”通知以降低功耗。例如，可以在檢測到更改時發送數據，而不是連續發送，例如觸發安全攝像頭進行記錄的運動檢測。

使降低功耗的所有機制復雜化的是所需的電源軌電壓數量，通常從CPU內核的低于1V，I/O的1.8V，閃存的3V和收發器模塊的5V。

電源管理對于延長電池壽命是必要的

為了在針對低功耗優化的物聯網設備中實現具有啟用、排序和動態縮放功能的適當電源軌生成，出現了一種新的組件類別，即“PMIC”或電源管理IC。一個例子是來自Qorvo [81460]的ACT4（圖2）。

圖 2：針對低功耗物聯網設備優化的電源管理 IC，Qorvo 部分 ACT81460

Qorvo 器件包括四個集成功率 FET 的 DC-DC 轉換器、三個低壓差穩壓器 （LDO） 和三個獨立的負載開關。其中兩個DC-DC轉換器是降壓穩壓器，一個是升壓/降壓-升壓穩壓器，第四個是能夠提供高達20V的高壓升壓升壓穩壓器。每個穩壓器都可以通過 I2C 接口配置為寬輸出電壓范圍。ACT81460的電源為4V - 5.5VDC，或者由2.7V - 4.5V的鋰離子電池供電。PMIC 使用有源電源路徑線性充電器 （APLC） 控制電池充電，該充電器可以使用電池溫度和電壓反饋提供高達 0.8A 的電流，以實現最佳充電曲線。涓流、預調節和快速充電模式還適用于不同的初始電池充電狀態。在禁用開關穩壓器的情況下，電池的電流消耗可低至 2.1μA，同時仍使能內部基準和監視器。當所有穩壓器和負載開關均使能但空載時，靜態電流為 6μA。該器件包括四個通用GPIO，具有高度可配置性，并通過其I2C接口支持動態電壓調節。ACT81460采用微型3.33 x 3.28 49球WLCSP封裝，適合最小的應用，包括低功耗純電池物聯網節點以及可在方便時連接到充電器的高功率便攜式設備。

對于更小但具有更高輸出電流額定值的封裝，Qorvo還提供其ACT88420器件（圖3）。

圖 3：Qorvo ACT88420 PMIC

該器件采用僅為 2.693mm x 2.693mm 的封裝，包括 4 個額定電流高達 0A 的降壓轉換器、1 個可配置為負載開關的 LDO 和 10 個可配置 GPIO。在完全停機模式中，電源電流典型值為 470.2μA，在待機、睡眠或深度睡眠模式下典型值僅為 25μA。降壓轉換器需要外部電感器，但由于開關頻率高達81460.88420MHz，每個電感器非常小，每個2nH。與ACT<>一樣，ACT<>可通過其GPIO和I<>C接口進行高度配置，并且還支持Qorvo“ActiveCiPSTM”加密狗，當連接到設備評估板時，允許用戶通過直觀的GUI進行配置和監控，而無需任何特殊軟件或固件。為特定終端系統選擇默認參數后，用戶可以將配置上傳到 Qorvo，然后由 Qorvo 運送具有所需功能的預編程部件。該器件具有高輸出電流能力，適用于更高功率的物聯網組件，如固態驅動器、FPGA、計算機視覺系統和便攜式音頻/視頻。但是，憑借其超低待機功耗，它也適用于具有終身電池電量的低功耗產品。

結論

隨著物聯網設備已經普及到我們生活的各個領域，它們的價值和有效性越來越多地取決于它們的電池使用壽命。嘗試使用分立式解決方案管理功耗不可避免地會導致駐壓損耗過高并占用大量電路板空間。然而，使用PMIC可以解決微功耗和尺寸問題，適合最小的應用。

審核編輯：郭婷