咖啡、毫微功耗以及构件，追求新型智慧能源

通信

早在 2011 年，就存在大量有关智慧能源的议论！北美公用事业领域正致力于安装智能电表。巴西监管机构 ANEEL 要求在全国内全面增装智能电表引起热议。欧洲各个公用事业领域致力于为智能电表开发独特的通信方式。
各公司推广家庭局域网 (HAN) 解决方案更是助长这一形势。未来愿景包括在每个洗衣机、烘干机、冰箱，甚至灯泡上安装能源测量设备！每个设备都可以通过 ZigBee、蓝牙或其他低功耗短距离通信协议方便地与家庭路由器进行通信。
2017 年的今天，北美大部分地区、欧洲和亚洲许多国家都安装了智能电表。公用事业领域正通过智能电表监控电力使用情况，不再需要雇佣抄表员走街串巷，手动读取每个电表，节省了大笔的成本支出。然而，完整的智慧能源建设的愿景有所不同。每个灯泡的能源测量未能实现，这可能是由于与灯泡消耗的能源成本相比这种系统的成本较高。通过小型日光灯灯泡和 LED 等低能耗光源进一步降低这种能源成本。也许只是我们对某些粒度级别的数据的需求最大化了。然而，尽管智慧能源的愿景之一未能实现，但是许多精彩的进步为人们开启了新视野。
咖啡就是一个很好的例子。十年前，北美的大多数人和餐馆使用玻璃或陶瓷壶煮咖啡，然后将咖啡壶坐在炉子上。炉子会持续消耗能源，缓缓地煮咖啡，也破坏了味道。后来，有人想出其他好主意，将咖啡放在热水瓶里来保温。这样，咖啡不再连接电网，进入“离线”状态。此外，煮咖啡消耗的能源更少，并且口味更佳。这是智慧能源一个很好的例子！
咖啡的例子引入了工程系统的其他概念，最大限度地提高性能和节约能源。毫微功耗是一个很大的进步。毫微功耗概念描述了某些零件在不工作但不完全关闭时的静态电流消耗。最新产品采用先进的模拟 CMOS 工艺技术，具有微不可量的毫微安级工作电流。主要节能优势首先来自这些系统的占空比；其次通过分散功耗架构实现。以下是展示毫微功耗优点的三个设备和电路示例。
烟雾探测器是首批物联网 (IoT) 设备之一。它们需要靠一块电池运行 10 年，无需频繁更换电池，可在断电期间正常工作。图 1 所示的是一个典型的现代烟雾报警器，包括一块电池、多个 DC / DC 转换器，一个微控制器、射频通信、一个传感器（其架构可能多种多样）和一个压电蜂鸣器。图 1 中的表格基于现今可用的元器件列出了每个模块的电流消耗示例值。如果是光学烟雾传感器，驱动 LED 的峰值电流将达到 mA 级别，但平均电流会下降，因为 LED 的工作循环通常相对不频繁。在大多数报警器中，有源电路仅在 0.05％的时间内对空气进行采样，这意味着系统在 99.95％的时间内以静态模式运行。不考虑占空比可能完全不同的射频电路，全功率模式下的主电路将消耗 12.6 mA。静态时，主电路消耗 5.5 μA。因此，有源电路每秒消耗的平均电流为 12.6 mA x 0.0005 = 6.3 µA，得出平均电流消耗为 11.8 μA。现在，高于 1 μA 的静态电流开始影响系统电池寿命。在 ~10 µA 的电流消耗范围内，电流消耗每增加 1 μA，则 1500 mAhr 电池的寿命将减少一年。


元件	典型工作电流	典型静态电流
微控制器	10 mA	2.5 µA
传感器	1 mA	2.5 µA
DC/DC*	1.6 mA	500 nA

*DC/DC 能耗基于能源效率为 ~90% 的 15 mA 输出电流。
图 1：典型的现代烟雾报警器在大多数情况下以静态模式运行，因此静态电流越低，其电池寿命越长。
毫微功耗的另一个优点源自可以关闭系统内电路的功能。在这种类型的架构中，电池监控和实时时钟之类的关键元器件保持开启，而微控制器和 RF 电路等主要耗电器件则关闭或进入其最低功耗模式。图 2 中的电路为用于监控电池电压的毫微功耗窗口比较器。比较器仅在电池电压高于或低于允许电压时发出警报，提供有价值的安全功能并延长电池使用寿命。系统微控制器不需要工作，除非从以典型 900 nA 电流运行的比较器接收到报警。从本质上讲，这成为了一种智慧能源架构，可以尽可能节省能源，同时剥离必须始终通电之功能的特定电路。

图 2：监控电池电压的毫微功耗窗口比较器。
最后一个示例是适配器或电池电源，通常称为 ORing 二极管电源。在这种电源中，优秀的设计师将肖特基二极管与电池电源串联以限制压降，并因此限制二极管的功率损耗，同时保护电路（图 3）。例如，承载 1 A 电流时，Maxim 的新型 MAX40200 仅降低 85 mV，承载 500 mA 时，通常会降低 43 mV。这种性能比典型的肖特基二极管高出两到四倍，以智能方式进一步节省数十至数百毫瓦的电池电量。

图 3：承载 1 A 电流时，MAX40200 仅降低 85 mV。
所有这些与咖啡有何关联？就像咖啡一样，架构正在改变。各种子系统基本上与中央处理器断开，然后定期连接，从而显著降低该过程中的能耗。高级处理能力和模拟架构将这些构件的功耗降至前所未有的低水平。新型智慧能源运动不仅仅涉及能源测量和通信。新型智慧能源是结合先进元器件的智能系统架构，在解锁新应用程序的同时提高系统电池寿命和可靠性。