IOT超低功耗设计应用笔记
时间：2021-09-06 15:19:05
[导读]IOT低功耗设备设计大致为3个方面的设计：器件选型、电路设计、软件设计、续航寿命估算——器件选型典型的器件包括：单片机MCU、电源芯片、通讯模组等。单片机——1.选择具备多种低功耗工作模式的MCU，如国民技术N32G4FR系列MCU支持5种低功耗模式（Sleep，Stop0，St...
IOT低功耗设备设计大致为3个方面的设计：器件选型、电路设计、软件设计、续航寿命估算——器件选型典型的器件包括：单片机MCU、电源芯片、通讯模组等。单片机——1.选择具备多种低功耗工作模式的MCU，如国民技术N32G4FR系列MCU支持5种低功耗模式（Sleep，Stop0，Stop2，Standby，VBat），开启带有RTC唤醒的Stop模式可让功耗尽可能低；
2.支持宽范围供电，如1.8-3.3V，在不需要大电流供电的模式下，使用1.8V供电可以让MCU处于更低功耗的状态；3.不使用的IO配置为模拟输入，模拟输入模式下漏电流最低；关于MCU的超低功耗设计，参考该篇文字《STM32芯片超低功耗设计思路》电源芯片——
1.选择更高效率的电源IC，开关电源DC-DC的效率高于LDO，特别在高压差、大电流的情况下，DC-DC具备更高的能效优势，对于常供电的IC，关注静态电流值，对于带EN管脚的IC，关注Shutdown电流值；2.LDO的成本比DC-DC低，且在低压差、低电流的情况下，具备低功耗特性的LDO也可做考虑，如圣邦微的SGM2034，静态漏电流为1uA；关于LDO与DC-DC的效能优势对比，参考该篇文字《LDO与DC-DC 的入门理解》通讯模组——1.通讯模组中的MCU部分可参考单片机的的低功耗设计，本质上具备一致性；2.2.4G的通讯模组，ZigBee低功耗具备更大优势，BLE蓝牙Mesh这两年间也开始逼近ZigBee，WiFi则比较大，同等条件下，ZigBee的发射电流可以做到50mA以内，而WiFi的发射电流一般要大于300mA，加上心跳包对接时间的差异，具备快联特性的WiFi可能需要10ms，而ZigBee可能只需要3-5ms。3.通讯模组OTA的功耗 > 搜网功耗 > 静态功耗。另外，网关信号正常与异常，也会导致通讯模组在搜网时的功耗有所不同。
电路设计1. 对于耗电比较大的器件，使用独立IC供电，并尽可能做到可独立关断供电回路，在非常供电的状态下切断供电回路；2. 对于上下拉电阻，在确保信号抗干扰度良好的前提下，尽可能使用高阻值；如对于1K的上拉电阻，当电流回路对地时，产生3300uA的电流，而对于100K的上拉电阻，则为33uA。当然，对于外界的工频干扰等，同样的条件下，10K的上拉电阻具备更高的抗干扰度；3.电池电量检测采用分压电阻时可使用1M左右的阻值，由于涉及单片机ADC阻抗匹配的不同（关于ADC阻抗匹配，可参考《单片机读取外部电压ADC阻抗匹配问题》），建议在信号的采集中间加上一级电压跟随器，该跟随器需要低功耗或者需要单独供电，避免无谓的电量损耗；4.对于有光显示的场景，如LED指示等，尽可能降低LED亮度。
软件设计
软件设计更多地体现在如何驱动硬件进入低功耗模式，如：开启单片机RTC唤醒的Stop模式；控制电源的EN管脚进入非常供电模式；GPIO的模拟输入模式；通讯模组在发送完成数据之后，立即关闭UDP连接，尽可能降低大电流模式持续时间
续航寿命估算1.对于静态电流，可使用万用表进行测量（如Fluke的17B ），由于万用表的采样率较低，且所呈现的数值为测量有效值，因此对于动态电流，如设备的间隔性心跳包电流，则需要使用采样率更高的仪器进行测量，如Keysight的N6705C；（关于低功耗测量仪器，可参考《浅谈4款低功耗电流测试“神器”》）2.严谨的功耗计算中，需考虑电池的自放电率，即电池即使在不使用的条件下，自身的电化学物质也会产生一定的反应自我消耗，特别是可充电的镍镉电池；3.简单举一个低功耗设备续航时间计算的例子：
假设电池容量250mAh，10分钟发送一次心跳包对接网络，每次5秒30mA瞬时电流，待机20uA电流，可做如下推算：单次对接网络耗电：30mA x 5s = 150mAs = 41.66uAh；一天对接网络次数：(24h x 60)÷10 = 144次；一天对接网络总时间：5s x 144 = 720s；一天待机总时间：(24h x 3600)s - 720s = 85680s = 23.8h；一天总功耗：(23.8h x 20uA) (144 x 41.66uAh) = 6475.04uAh = 6.48mAh；可使用天数：250mAh ÷ 6.48mAh ≈ 39天
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2.支持宽范围供电，如1.8-3.3V，在不需要大电流供电的模式下，使用1.8V供电可以让MCU处于更低功耗的状态；3.不使用的IO配置为模拟输入，模拟输入模式下漏电流最低；关于MCU的超低功耗设计，参考该篇文字《STM32芯片超低功耗设计思路》电源芯片——
1.选择更高效率的电源IC，开关电源DC-DC的效率高于LDO，特别在高压差、大电流的情况下，DC-DC具备更高的能效优势，对于常供电的IC，关注静态电流值，对于带EN管脚的IC，关注Shutdown电流值；2.LDO的成本比DC-DC低，且在低压差、低电流的情况下，具备低功耗特性的LDO也可做考虑，如圣邦微的SGM2034，静态漏电流为1uA；关于LDO与DC-DC的效能优势对比，参考该篇文字《LDO与DC-DC 的入门理解》通讯模组——1.通讯模组中的MCU部分可参考单片机的的低功耗设计，本质上具备一致性；2.2.4G的通讯模组，ZigBee低功耗具备更大优势，BLE蓝牙Mesh这两年间也开始逼近ZigBee，WiFi则比较大，同等条件下，ZigBee的发射电流可以做到50mA以内，而WiFi的发射电流一般要大于300mA，加上心跳包对接时间的差异，具备快联特性的WiFi可能需要10ms，而ZigBee可能只需要3-5ms。3.通讯模组OTA的功耗 > 搜网功耗 > 静态功耗。另外，网关信号正常与异常，也会导致通讯模组在搜网时的功耗有所不同。
电路设计1. 对于耗电比较大的器件，使用独立IC供电，并尽可能做到可独立关断供电回路，在非常供电的状态下切断供电回路；2. 对于上下拉电阻，在确保信号抗干扰度良好的前提下，尽可能使用高阻值；如对于1K的上拉电阻，当电流回路对地时，产生3300uA的电流，而对于100K的上拉电阻，则为33uA。当然，对于外界的工频干扰等，同样的条件下，10K的上拉电阻具备更高的抗干扰度；3.电池电量检测采用分压电阻时可使用1M左右的阻值，由于涉及单片机ADC阻抗匹配的不同（关于ADC阻抗匹配，可参考《单片机读取外部电压ADC阻抗匹配问题》），建议在信号的采集中间加上一级电压跟随器，该跟随器需要低功耗或者需要单独供电，避免无谓的电量损耗；4.对于有光显示的场景，如LED指示等，尽可能降低LED亮度。
软件设计
软件设计更多地体现在如何驱动硬件进入低功耗模式，如：开启单片机RTC唤醒的Stop模式；控制电源的EN管脚进入非常供电模式；GPIO的模拟输入模式；通讯模组在发送完成数据之后，立即关闭UDP连接，尽可能降低大电流模式持续时间
续航寿命估算1.对于静态电流，可使用万用表进行测量（如Fluke的17B ），由于万用表的采样率较低，且所呈现的数值为测量有效值，因此对于动态电流，如设备的间隔性心跳包电流，则需要使用采样率更高的仪器进行测量，如Keysight的N6705C；（关于低功耗测量仪器，可参考《浅谈4款低功耗电流测试“神器”》）2.严谨的功耗计算中，需考虑电池的自放电率，即电池即使在不使用的条件下，自身的电化学物质也会产生一定的反应自我消耗，特别是可充电的镍镉电池；3.简单举一个低功耗设备续航时间计算的例子：
假设电池容量250mAh，10分钟发送一次心跳包对接网络，每次5秒30mA瞬时电流，待机20uA电流，可做如下推算：单次对接网络耗电：30mA x 5s = 150mAs = 41.66uAh；一天对接网络次数：(24h x 60)÷10 = 144次；一天对接网络总时间：5s x 144 = 720s；一天待机总时间：(24h x 3600)s - 720s = 85680s = 23.8h；一天总功耗：(23.8h x 20uA) (144 x 41.66uAh) = 6475.04uAh = 6.48mAh；可使用天数：250mAh ÷ 6.48mAh ≈ 39天
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