随着智能设备应用的越来越广泛，用户对电池供电和便携式设备的期望越来越高。改进的锂离子电池使许多便携式设备变得更实用，WiFi和蓝牙等无线技术正在取代工业自动化系统中的电线，无线通信也变得更加普遍。现在在消费和医疗设备、工业控制系统、物联网 （IoT） 等设备需要更小、更轻，甚至更便携。即使不是便携式的，它们也确实需要低功耗。本文描述了工程师如何检查整体设计，包括微控制器、传感器和执行器 - 最终将功耗降至最低。
微控制器
虽然对8位微控制器（MCU）进行编程通常比对32位微控制器（MCU）进行编程更容易，成本也更低，但智能硬件和随附的软件可以使32位设计同样低功耗，而且具有许多当前新兴的应用功能。较宽的总线往往会消耗更多的能量，但它每个周期可以执行更多的工作，并且还可以在不使用时进入休眠状态。8位架构虽然在低成本应用中很受欢迎，但通常会受到网络或通信功能的限制。
MCU的功耗并不总是容易确定的，因为它取决于许多参数，包括时钟速度、外设使用情况、电源电压和内存活动等等。此外，温度也会影响电源性能，与室温相比，80°C时超低功耗（ULP） MCU的电源电流会增加10倍。软件在功耗方面产生的影响也很大，因此工程师也应该注意这方面的问题。
超低功耗32位 MCU 的内核主要有三种：Arm Cortex-M0、Arm Cortex-M4 和 RISC-V。以下示例包含这些常用处理器。
微控制器示例
意法半导体（STMicroelectronics）的低成本STM32C011 MCU采用32位Arm Cortex -M0+内核，具有直接存储器访问 （DMA）、4个带电机控制的16位定时器、2个USART、1个实时时钟（RTC）、1个快速12位模数转换器（ADC）和循环冗余校验（CRC）。使用3.0V时，STM32C011的功耗在运行模式下为3800μA（48MHz），停止模式下为80μA，待机模式为8.0μA。该IC具有高达32kB的闪存和6kB或12kB的SRAM，具有嵌套矢量中断控制。
Texas Instruments 提供一整套低功耗 SimpleLink™ 无线 MCU。 2.4GHz CC2651R3 设备具有 48MHz Arm Cortex-M4 处理器，支持低功耗蓝牙、Zigbee 和 802.15.4 低数据速率 WPAN。它包括 352kB 闪存、32kB 超低泄漏 SRAM 和 8kB 缓存 SRAM。MCU功耗在活动模式下为 2.9mA（运行 CoreMark），运行 CoreMark 时为 61μA/MHz，待机模式下为 0.8μA，带 RTC 和 32kB RAM，关断模式下为 0.1μA。该芯片的无线电在Rx中消耗6.4mA电流，在0dBm时消耗-7.1mA Tx，并且 +5 dBm时为9.5mA Tx。该 IC 具有 AES 128 位加密加速器、真随机数发生器、 8通道12位ADC，以及温度和电池监控器。
ADI公司的MAX32670超低功耗微控制器：具有浮点单元（FPU）的 Arm Cortex-M4 CPU。它针对具有复杂传感器的处理能力，以及 AES 和 CRC 硬件加速引擎。该芯片具有低压差 （LDO） 1.5V内核稳压器，采用1.7V至3.6V单电源供电。在 100MHz 工作时需要 5.0mA 和 在 1.8 V 备份模式下，仅 2.6μA 的完全内存保持功率DD型。该芯片具有高达384kB 的闪存和160kB SRAM，并在整个RAM空间上具有纠错编码 （ECC）。它提供两个低功耗定时器，即使在最低功耗睡眠模式下也能实现脉冲计数和PWM生成，以及I2C、50MHz SPI和UART。
英飞凌科技 CY8C4247LQQ-BL483 32 位 PSoC™ 4 MCU 具有 24MHz Arm Cortex-M0 内核和 2.4GHz 低功耗蓝牙；一个12位、1MS/s SAR ADC; CAPSENSE™触摸按键界面;以及高达 256kB 的闪存和 32kB 的 SRAM。该芯片电压范围为1.9V至5.5V。有源模式下的电源电流为1.7mA（3MHz 闪存程序）执行，而使用手表晶体振荡器 （WCO） 在深度睡眠模式下仅为 1.5μA。休眠模式只需要 150nA，具有RAM保留功能。该芯片有四个可编程逻辑块，每个逻辑块有八个宏单元。
Microchip 公司的ATSAML21E MCU 采用 TQFP-32 封装，具有 48MHz 时钟的 Arm Cortex M0+ 内核。该芯片具有复杂的功率管理技术，如电源域门控、休眠和超低功耗外设。它的功耗在工作模式下仅为35μA/MHz，在睡眠模式下为200nA。ATSAML21E的工作电压介于 1.62V 和 3.63V，提供5个独立的电源域。该IC具有一个单周期硬件乘法器，一个微迹线缓冲器、16 个外部中断、1 个不可屏蔽中断和 16 通道 DMAC。它还具有 12 通道事件系统和多达 5 个 16 位定时器/计数器。所有功能均在 3.3V 下工作的有源电流约为85μa/MHz，而 12MHz 时空闲电流为 ~200μA。待机电流低至 1.5μA（或105°C时为50μA）。MCU 还具有备份状态，只需要~0.2μA。
NXP Semiconductors LPC55S66 MCU 具有一个 150Mhz Arm Cortex-M33 内核和第二个 M33 协处理器，但其功耗仍然很低。M33内核采用 Armv8-M 架构打造，具有高级安全性功能，包括 TrustZone、FPU、动态闪存加密/解密和内存保护单元 （MPU）。它具有 256MB 闪存和 144kB SRAM（640/320 可选），以及9个灵活的串行通信外设（USART、 SPI、高速 SPI、I2C 或 I2S 接口）。该 IC 还提供集成的 DSP 指令，支持安全启动、HASH、AES、RSA、UUID、DICE、动态加密和解密、调试身份验证和串行在线调试。在 CPU0 中从 SRAM 执行 CoreMark 代码，在关闭模式下从 CPU1 执行 CoreMark 代码，并在闪存断电时提供电流， 12MHz时钟为0.9mA。在150MHz时，电流为6.2mA。CPU0 处于睡眠模式，CPU1 处于 OFF 模式，且 12MHz时钟，电流为0.7mA，深度睡眠可低至0.11mA。
Silicon Labs EFR32BG22 无线 Gecko 蓝牙 5.2 片上系统 （SoC） 结合了超低发射和接收功率（3.6mA Tx at 0dBm，2.6mA Rx） 以及一个安全增强的单核 Arm Cortex-M33 CPU，在活动时消耗 27μA/MHz，在睡眠模式。该器件可实现长达十年的纽扣电池电池寿命，并提供高达 512kB 的 Flash 和 32kB 的RAM。功能包括具有信任根和安全加载程序的安全启动、12 位或 16 位 ADC、DMA、双通道 我2C 端口和 26 个通用 I/O 引脚。工作电压范围为1.71V至3.8V（采用单电源供电）。
乐鑫制造的射频 SoC 和模块具有 Xtensa 或 RISC-V CPU。所有设备均支持 2.4GHz 802.11b/g/n Wi-Fi 和低功耗蓝牙 5。ESP32-C3FH4 是一款低功耗 SoC，使用 160MHz RISC-V内核，具有400kB的SRAM（16kB用于缓存）和384kB的ROM。芯片上还有 14 个可编程 GPIO， DMA 控制器、SAR ADC 和温度传感器。如果调制解调器处于空闲状态且 CPU 运行，则电源电流为 23mA. 在轻度睡眠模式下 - 带 VDD型3.3V，SPI 和 Wi-Fi 断电，所有 GPIO 均处于高电平 阻抗—电源电流仅为 130μA。
传感器
近年来，几乎所有类型的传感器功耗都显着降低。这种趋势，使工程师可以设计更低的功耗和更低的成本来监控几乎任何东西，从机械到通信系统、宠物和环境等。
传感器示例
意法半导体提供各种微机电系统（MEMS）传感器，可实现性能飞跃 以及面向消费者移动、医疗保健和零售应用的新功能。这些设备带来了自适应、 机器学习功能，适用于以极低功耗运行的边缘应用程序。电荷变化 （QVAR） 传感通道监测静电荷的变化，以提供接触感应。应用包括水分以及冷凝感应、人体存在检测、活动监测和人数统计。
意法半导体的MEMS产品组合包括LPS22DF气压 传感器和防水LPS28DFW气压传感器，具有低至 1.7μA 的有源电源电流和绝对压力精度 0.5hPa。LIS2DU12 3 轴加速度计提供出色的超低功耗架构，具有主动抗混叠功能，并且仅消耗 100Hz 时为 3.5μA。
北京德天驰鼎推出的DT-XM200低功耗无线物联网控制器，是专门为电池供电的无线物联网应用而设计开发的产品。既可以接5VDC电源保持不间断的无线通讯，也可以使用3.7V锂电池供电，定时休眠以低功耗模式工作。
系统的主要特点是低功耗，主控芯片选用意法半导体的STM32L系列低功耗型号，从器件选型到电路设计，都针对低功耗做了特殊处理。系统实现低功耗的基本原理是，系统管理包括主控芯片和外设在内的所有电源，不需要传输数据时，系统处于休眠状态，并保持约2uA的极低待机电流。当需要传输数据时，系统自动唤醒，进入正常工作状态，连接远程服务器并传输数据。
控制器具有多种数字和模拟量接口，如UART、RS485、I2C、开关量、电压、电流信号等。系统具有无线网络传输功能，支持WIFI、4G、GPRS、NB-IOT、Lora、蓝牙等多种无线通讯方式。
控制器经过机械工业测量控制设备及网络质量检测中心的高低温试验（低温-40℃高温85℃），顺利取得了检测报告，完全满足严苛的工业环境的要求。
电源转换
大多数现代可充电电池供电设计使用单个锂离子 （Li-ion） 电池，而初级 （不可充电）设计将使用由二氧化锰锂制成的纽扣电池。通常，锂离子可充电，电池的最终充电电压为 4.2V，放电结束电压为3.0V。3V CR2032纽扣电池具有2.0V 放电截止和 3.2V 最大充电点。
虽然如今高效电源转换被认为是理所当然的，但实现效率可能具有挑战性，当设计的电流非常低时，对于电池供电设计，LDO线性稳压器可能适用，但稳压电荷泵也可以在低电流下非常有效。
电源转换示例
Texas Instruments TPS62743是一款超低功耗DC-DC降压转换器，静态电流仅为360nA。该设备使用 DCS-Control™拓扑结构，采用2.2μH电感器，典型开关频率为1.2MHz 和 10μF 输出电容。在省电模式下，该器件将轻负载效率扩展到电流负载范围为10μA。输入电压范围为 2.15V 至 5.5V，提供 300mA 的最大电流。一次启动时，该器件可在低至 2.0V 的输入电压下工作，允许直接从单个 Li-MnO2 纽扣电池运行。
Torex Semiconductor XC9265 系列降压 DC/DC 转换器内置 0.4Ω N 沟道和 P 沟道开关晶体管，以及短路保护和 欠压锁定。使用脉冲频率调制 （PFM），芯片具有 1.0V 至 4.0V （±2.0%），增量为0.05V，可调节至极低电流负载。输入电压： 2.0V 至6.0V，最大输出电流为200mA（XC9265A/C）或50mA（XC9265B/D）。电源电流刚刚好 0.5μA。
固态继电器
固态继电器已经改进到可用于超低功耗设计的程度，用来驱动外部设备，例如来自小型电池供电装置的警报器或控制阀。
继电器示例
欧姆龙G3VM201D MOSFET 继电器要求的触发正向输入电流仅为 0.5mA（典型值为 2mA）（最大值为 2mA）， 约1.6V。常开、光隔离的 SPST 开关输出可在 200V AC/DC 负载下处理高达 200mA 的电流。 四引脚表面贴装封装。介电强度为 5000VAC 持续 1 秒，部分型号提供限流功能。
Panasonic AQY4C 是一款 AC/DC、两用、 PhotoMOS，常闭继电器，I/O隔离电压为200V有效值.芯片输出额定值为 60V 和 0.15A。所需的输入电流仅为0.2mA，输入电压为3V至5V。导通电阻输出为 4Ω 典型值。它采用小型四引脚 3.5mm TSON 封装。
如果需要给传感器增加无线传输功能，可以通过增加无线物联网控制器实现。
● 内置电池或外接5V电源供电
● 无线传输方式支持4G、NB、WIFI、LORA等
● 支持所有传感器接口
 |
| 低功耗无线物联网控制器 电池供电 WIFI 4G NB LORA |
