在超低功耗设计中提高电源效率

手机和数据中心更快的数据通信成为头条新闻，但许多应用程序不需要视频流或图像处理所需的连续、高数据速率通信。

事实上，对于许多设备来说，为了更好的性能而设计会导致能源浪费，并大幅缩短电池充电的间隔时间。对于智能远程煤气表或水表等机器对机器(M2M)应用来说尤其如此，这些应用可能只需要每月连接一到两次就可以传输仪表读数。

这是低功耗广域网(LPWAN)技术的领域，包括LoRaWAN、Wi-SUN、NB-IoT、LTE-M和最新的Wi-Fi HaLow。对于这些应用，低功耗广域网有很多好处。它们提供远距离物联网和传感器连接，并支持10年或更长时间的电池寿命。如果安装在偏远或难以更换电池的地方，这一点尤其重要。长电池寿命使设备的维护成本更低，这反过来又使节能LPWAN设计特别有吸引力。

在为LPWAN设计节能系统时，涉及拓扑、通信方法和休眠模式管理的各种考虑和权衡。这些因素都会影响电力消耗。

lpwan同时使用网格和星形拓扑。网状拓扑提供了冗余和跳跃能力。当网状网络中的一个节点发生故障时，数据包将被重新路由到其他节点，以防止系统停机，这在电网等应用中尤为重要。重新布线可以使客户不受影响，即使在恶劣天气事件(如龙卷风)损坏部分电网的情况下也是如此。缺点是，由于节点处于近乎连续的监听模式，如果数据包需要重新路由，则会消耗更多的电力。

星形拓扑更简单。网络中的一个节点与另一个节点直接通信。使用星型拓扑，可以实现更长的空闲时间或休眠模式，从而保持电力。因此，星型拓扑结构可能更节能，但也更有局限性。

这是谜题的一部分。除此之外，还有各种LPWAN通信技术，包括LoRaWAN和Wi-Fi HaLow，它们具有规范中定义的低功耗功能。

“Wi-Fi HaLow提供远程、低功耗的Wi-Fi，满足用户的独特需求物联网(物联网)在工业、农业、智能建筑和智能城市环境中实现各种用例，”Wi-Fi联盟营销高级副总裁凯文·罗宾逊(Kevin Robinson)说。“Wi-Fi HaLow通过多种节能技术提供低功耗，包括目标唤醒时间(TWT)、扩展最大空闲时间、分层交通指示图(TIM)、短信标和空数据PHY帧，这些技术对于传感器网络和可穿戴设备等应用是必要的。这些功能协同工作，将Wi-Fi HaLow设备的睡眠时间延长数年而不是数小时，提高编码效率以减少通话时间，并相对于遗留的管理和控制帧减少数据包大小和传输时间，这些都有助于Wi-Fi HaLow的低功耗优势。”

调制是LoRa中关键的低功耗方法之一。LoRa联盟技术委员会副主席Olivier Seller表示:“调制方法对于实现电力效率非常重要。例如，通过为发射机提供恒定的包络，LoRa芯片可以传输+20dBm，同时仅消耗65mA(效率为45%)。对于接收机，由于不需要事先同步，只要接收机处于活动状态，它就可以接收到当前的信号。如果没有信号，它可能会很快回到空闲模式——通常是10ms到100ms。该协议使用此即时接收属性以短接收窗口的形式设置下行机会。为了获得最长的电池寿命，作为传感器的设备只有在发送上行链路(A类)后才会处于短时间的‘接收’模式。通过不一直监听，它们可以节省能源。”

通信方法是电源管理中的另一个重要因素。每次从设备发送数据包时，都会消耗电量。低效率的通信可能会占用更多的数据位或数据包，并占用更长的“直播”无线电时间，并消耗更多的电力。一些设计可以支持自适应数据速率，以成功地缩短直播时间，如果可能的话，还可以避免重传，这会增加开销。最节能的通信方式是异步的，数据只在一个方向上发送和接收。虽然异步通信可以延长电池寿命，但其代价是更低的吞吐量和更高的延迟。这可能适用于某些应用程序，特别是每月只需要通信一到两次的物联网设备，甚至必须每24小时通信一次的设备。

图1:不同的使用模式及其对电池寿命的影响。来源:比起年轻

对于某些细分市场，服务质量(QoS)是一个关键元素。为了满足QoS目标，蜂窝lpwan可以采用同步通信，其中数据包在两个方向上传播。在同步通信中，设备向基站发送消息以获得发送数据的权限。尽管同步通信可以帮助将QoS保持在期望的水平，但这种方法比异步通信消耗更多的能量。此外，LTE-M还提供语音支持，这是另一个耗电应用。传输的比特数越少，就越省电。

使用的节能技术之一是睡眠模式管理。通过编程，设备可以更频繁地进入睡眠状态，从而将功耗降低到微安而不是毫安范围内。即使在睡眠模式下，也有许多不同的考虑因素在起作用。例如，设备什么时候进入睡眠状态?什么时候可以唤醒设备来监听消息?是否有强制唤醒装置?它是否会在每次醒来时都经过身份验证过程以确保安全性?一般来说，设备休眠时间越长，电池续航时间就越长。

但影响电池寿命的因素有很多。LPWAN选择只是其中之一。

Paragon Innovations高级技术副总裁Mike Willey说:“这些因素包括传输的数据量、拓扑类型、射频无线电设计，以及无线电塔和设备之间的握手。”“在NB-IoT和LTE-M的情况下，无线电塔可能需要长达70秒的时间来验证物联网设备。有些开发者可能没有意识到电池会随着时间的推移自行放电。根据化学成分的不同，一些锂离子电池可能在不到一年的时间内自行放电。最后，极热或极冷的温度也会影响你损失多少能量。电池寿命的大部分预测都是基于计算和假设。”

为工业物联网选择合适的电池类型是延长寿命的关键
大多数LPWAN设计讨论涉及使用硬币大小的电池或AA消费型不可充电电池。根据计算和数据通信方法的一定假设，电池寿命可以达到10年或更长时间。然而，这并不总是如预期的那样奏效。其他因素直接影响电池寿命，如电池化学物质、尺寸、放电、温度和电子电路特性。一些开发人员忽略了一个事实，即即使设备处于睡眠模式，也存在泄漏电流。虽然很小，但它仍然耗电。在某些使用情况下，电路漏电最终可能会消耗超过50%的电池能量。

对于电子设备来说，最受欢迎电池现在使用锂。为了实现超过25年的长电池寿命，工业物联网电池使用金属锂与其他化学物质结合。在一些工业应用中，比如智能电表，电池的使用寿命将和电表本身一样长。这些电池可以定制设计与一个升压电容器。电池自放电水平取决于制造质量。这就是为什么工业物联网设备的优质电池可能比同等的消费电池贵得多。差别可能是25年，误差可能是几年。

在选择电池时工业物联网Saft的应用工程师Isabelle Sourmey说:“在应用中，考虑尺寸、化学品、电路设计和功耗是很重要的。”“大多数物联网设计师可能没有计算泄漏的知识或信息，这将直接影响电池的寿命。他们可能会惊讶地发现，在几次测试中，电池只能使用规定的10多年的一小部分。因此，依靠电池制造商的专业知识和工具来选择最合适的电池并在设计周期中模拟设备行为将是有帮助的。”

在设计阶段，提前解决泄漏问题要容易得多。但是要真正最大化LPWAN设备的电源效率，就必须优化整个系统的效率——睡眠模式管理、通信和芯片设计——同时最小化电流泄漏。

该公司IoT战略营销经理Ron Lowman表示:“实现10年电池寿命的关键是在睡眠状态下采用低泄漏解决方案。Synopsys对此．“把时钟门控作为一个例子，除了一个小的低功耗时钟/锁相环和一个保持活跃的区域外，所有的时钟都关闭到芯片上。此外，对于没有快速重启或延迟要求的应用程序，您需要使用较慢的重新启动。有不同的工具可以实现这些技术，例如采用Synopsys的Thick Oxide Libraries，可以在睡眠状态下显著降低功率。”

在设计整个系统时考虑到节能
LPWAN非常适用于特定的应用，从高清视频监控到语音支持，再到简单的不频繁的煤气表读数。那些对系统性能要求较高的应用会消耗更多的电力。第一步是为应用程序选择适当的拓扑或体系结构。例如，如果应用程序需要语音支持，LTE IoT(与LTE - M相同，其中M代表机器)是唯一的选择。这项技术的发明是为了支持包括手机在内的移动设备。它有更多的功能，但消耗更多的能量。专用于M2M的替代方案不支持视频或音频，而且更节能。

一旦选择了拓扑结构，工程师就需要从设计的最初阶段开始考虑如何实现低功耗。显然，只要有可能，他们就需要选择低功耗的处理器、组件和配置，同时确保设计能够可靠地提供所需的性能。他们需要考虑哪些元素可以在更低的电压下运行。

半导体产品营销总监Marc Swinnen表示:“用于降低芯片功耗的关键技术之一是降低电源电压(P ~ V**2)。有限元分析软件．“但是极低的电压会带来两个问题。首先，它对配电网络的质量提出了很高的要求，如果芯片要工作，就不能在通往逻辑门的路上留下任何电压降的空间。其次，在这种低电压下，即使栅极上的电压降很小，也会降低栅极的开关速度，因此也会降低可实现的芯片速度。这两种影响都需要非常仔细的分析、仿真和建模，以确保芯片在所有可能的开关活动、温度和硅工艺参数变化情况下都能满足其运行目标。”

睡眠模式管理
另一个明显的方法是让系统尽可能地处于睡眠模式，但这并不像听起来那么简单。系统唤醒会消耗能量，因此确定系统何时发送或接收消息非常重要。水表每月只需发送一次数据，但如果该系统包含漏水检测等附加功能，则需要缩短唤醒间隔时间。你不会希望等了一个月才发现漏洞的。此外，例如，石油和天然气平台的系统可以随叫随到。在这种情况下，设备需要经常被唤醒以检查消息。这种情况发生的频率取决于它需要多快做出反应。当运营商需要检查平台状态时，是要求在1小时内响应，还是可以等待24小时?

LTE物联网具有内置的节能功能，可用于此目的。其中包括省电模式(PSM)和扩展间断接收(eDRX)。PSM使物联网设备能够在固定时间间隔内唤醒，而不是像手机或监控系统那样一直处于唤醒状态，以便传输数据或监控信息。然后它继续睡觉。根据计算，一个在PSM模式下每天传输一次的设备可能可以达到10年的电池寿命，但要符合本文所述的其他条件。eDRX类似于PSM，只是由网络发起。

高效的沟通方法
简单、高效的沟通是目标。除非绝对需要同步通信，否则使用单向异步通信将消耗更少的电力。消耗能量的不仅仅是系统唤醒。握手以建立与网络的通信，包括身份验证，也是一个考虑因素。

一种有效的节能方法是建立预认证。当物联网设备或节点第一次与网络建立连接时，网络将进行安全认证。在初始连接后，可以建立预认证，这样当设备醒来时，网络就不会再次经历完整的认证周期，从而缩短设备和网络之间的通信时间。

功耗还取决于流量模式和正在传输的数据包的大小。传输的比特数越多，所需的功率就越大。降低功率的一种方法是使用自适应位长。根据应用程序的不同，并不是每次传输都需要相同数量的比特。一种自适应比特长度方法可以自动减小数据包大小以缩短通信时间。

更好地集成IP安全性
与其他网络一样，LPWAN需要安全性。安全IP可以集成到芯片中，实现分区安全。这样，即使设备的一个部分受到攻击，其他部分也不会受到损害。

“TrustZone引入了单独的安全地址空间和处理器状态，以支持安全应用程序和非安全应用程序之间的强隔离，”公司架构产品管理总监Mark Knight说手臂．“这两个世界之间的隔离是通过高级微控制器总线架构(AMBA)互连、外设和处理器中的硬件逻辑实现的。为了支持这种功能，已经开发了支持可信应用程序的标准可信平台软件。这段代码通常实现可信引导、安全世界开关监视器、安全分区管理器和一个小型可信操作系统。”

Rambus在其基于RISC-V处理器开发的根信任IP核上采用了类似的方法。通过将其开发为一个离散的、专用的组件，可以对低功耗进行高度优化。

“失败的标志之一是在不安全的处理器中运行安全算法，”at的技术总监Scott Best说Rambus．“处理器需要优化，就像其他电路一样。如果你在优化它的功率，或者你在优化它的性能，或者你在优化它的安全性，认为你实际上可以在不关注它的情况下获得这三个好处中的一个，这是鲁莽的乐观。”

定制安全性可以大幅减少安全性所需的电量。除此之外，可编程性可以使设备保持最新的安全威胁。

“电源门功能块是关键，”Andy Jaros说，IP销售和营销副总裁Flex Logix．“就……而言eFPGA在低功耗广域网络中，当窥探块发送中断信号以指示需要发生通信事件时，eFPGA可以在微秒内被启动并编程，无论目标是在eFPGA中运行什么功能。例如，函数可以是一个状态机，需要读取和准备发送的数据、专有加密算法、帐户信息等。要编程的配置文件将存储在非易失性存储器中，并且可以随着该功能在系统生命周期中的变化而更新。在这些类型的应用程序中，eFPGA的数量将是非常小的，不会消耗大量的电力。此外，eFPGA可以使用UHVT晶体管进行移植，这种方法在性能次要的应用中有利于低功耗。如果有唤醒时间的灵活性，那么使用最少电力的解决方案是关闭eFPGA，然后重新编程，使其上电。”

结论
LPWAN技术声称可提供长达10年甚至20年的设备电池寿命，但影响电池寿命的因素有很多，而不仅仅是通信。

需要考虑的因素包括在设计整体系统时考虑到节能、睡眠模式管理、技术拓扑、有效通信、使用IP和模拟更好的芯片设计以及物联网电池的选择。一些开发人员专注于系统设计，将物联网电池的选择视为事后考虑。建议在设计周期中包括电池的选择。最后，在电池寿命和性能方面，工业物联网电池和消费级AA电池之间有很大的区别。提前考虑所有相关因素将确保获得最佳结果，并缩短设计时间。

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