雖sui然ran這zhe些xie係xi統tong可ke以yi使shi用yong電dian池chi供gong電dian，所suo以yi不bu需xu要yao將jiang傳chuan感gan器qi與yu主zhu電dian源yuan連lian接jie，但dan是shi仍reng然ran需xu要yao更geng換huan電dian池chi或huo充chong電dian。一yi旦dan放fang置zhi在zai大da型xing馬ma達da或huo渦wo輪lun機ji附fu近jin，便bian很hen難nan觸chu及ji和he更geng換huan電dian池chi。不bu過guo，許xu多duo這zhe些xie應ying用yong的de優you點dian是shi它ta們men可ke以yi自zi己ji提ti供gong能neng量liang，自zi給gei自zi足zu。　

 

隻要通過合適的地震量(慣性質量)和he轉zhuan換huan器qi，便bian可ke利li用yong工gong業ye馬ma達da的de振zhen動dong為wei監jian測ce它ta的de係xi統tong提ti供gong能neng量liang。穿chuan戴dai在zai身shen體ti上shang的de傳chuan感gan器qi的de情qing況kuang類lei似si，采cai集ji到dao的de振zhen動dong和he熱re能neng可ke以yi使shi得de電dian荷he呈cheng涓juan流liu形xing式shi進jin入ru電dian容rong器qi內nei，用yong於yu傳chuan感gan器qi供gong電dian(圖1)。

 

圖1：各種能量采集方法的功率密度(來源：技術研究雜誌)

 

suiranzhexiexitongtigonglecaijinengliangdejizhi，danshitamenhenshaonenggoudadaoshejirenyuanxiguanshiyongdedianchigongdianxitongdegonglvshuiping。yinci，shejiyizhonggonglvxiaohaojinkenengdidexitongshizhiguanzhongyaode。

 

降低邏輯電路功率的關鍵目標是供電電壓。在CMOS電路中，電壓和功耗之間呈平方關係，如公式P = CV2f所示
，其中C是電路電容
，f是開關頻率，V是(shi)施(shi)加(jia)的(de)電(dian)壓(ya)。從(cong)中(zhong)可(ke)以(yi)明(ming)顯(xian)看(kan)出(chu)，降(jiang)低(di)電(dian)壓(ya)可(ke)以(yi)最(zui)大(da)可(ke)能(neng)地(di)降(jiang)低(di)功(gong)耗(hao)。晶(jing)體(ti)管(guan)近(jin)閾(yu)值(zhi)和(he)亞(ya)閾(yu)值(zhi)運(yun)作(zuo)提(ti)供(gong)了(le)一(yi)種(zhong)獨(du)特(te)方(fang)法(fa)，可(ke)以(yi)將(jiang)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)和(he)其(qi)它(ta)邏(luo)輯(ji)電(dian)路(lu)的(de)供(gong)電(dian)電(dian)壓(ya)降(jiang)低(di)到(dao)遠(yuan)低(di)於(yu)標(biao)準(zhun)邏(luo)輯(ji)電(dian)路(lu)要(yao)求(qiu)的(de)水(shui)平(ping)。

 

近閾值和亞閾值運作的背後原理，就是器件通常被認為“開啟”的de閾yu值zhi電dian壓ya其qi實shi並bing不bu需xu要yao視shi為wei邏luo輯ji和he模mo擬ni電dian路lu的de目mu標biao。為wei了le給gei伴ban隨sui每mei個ge柵zha極ji的de電dian容rong路lu徑jing充chong電dian
，邏luo輯ji晶jing體ti管guan傳chuan統tong上shang被bei設she計ji為wei飽bao和he時shi通tong過guo高gao電dian流liu水shui平ping；但dan是shi
，給gei這zhe些xie電dian路lu路lu徑jing充chong電dian時shi，可ke以yi不bu將jiang晶jing體ti管guan開kai關guan到dao完wan全quan飽bao和he狀zhuang態tai
，而er是shi允yun許xu電dian流liu更geng為wei緩huan慢man地di涓juan涓juan流liu過guo。這zhe樣yang的de結jie果guo是shi開kai關guan邏luo輯ji狀zhuang態tai會hui變bian得de緩huan慢man

，但dan是shi，在zai典dian型xing傳chuan感gan器qi應ying用yong中zhong，其qi實shi不bu需xu要yao以yi最zui高gao可ke能neng速su度du進jin行xing開kai關guan。

 

然而
，由於閾值電壓在更低水平驅動
，所以晶體管泄漏電流呈指數級增加(圖2)。

 

 

dangdianyajinyibuxiajiangdaoshenduyayuzhifanweishi，xielousunshidenengliangbilijiangzhanyoushi，chulexingnengkaolv，haiyinzhikaolvgongdiandianyanenggoujiangdidaoshenmechengdudecijixianzhi(圖3)。

 

 

對dui亞ya閾yu值zhi電dian路lu設she計ji人ren員yuan來lai說shuo，關guan鍵jian問wen題ti是shi在zai供gong電dian電dian壓ya接jie近jin閾yu值zhi時shi的de過guo程cheng變bian化hua和he其qi影ying響xiang。有you效xiao設she計ji亞ya閾yu值zhi電dian路lu的de關guan鍵jian
，就jiu是shi降jiang低di這zhe種zhong變bian化hua的de影ying響xiang的de機ji製zhi，例li如ru專zhuan為wei克ke服fu這zhe種zhong變bian化hua而er設she計ji的de適shi應ying性xing電dian路lu。美mei國guo密mi歇xie根gen大da學xue和heAmbiq Microjinxingleduonianyanjiu，dailailezhezhongjishudengduoxiangyayuzhijishuchuangxin。weileyouxiaodiliyongzhexiangjishu，haibixuduizhenggeshejiliuchengjinxingzhongxinsheji，baokuocongshishiyayuzhiluojidianludebiaozhunyuanjiankuzhidaocedingnaanhepiandianliudeceshicelve。zhiyoutongguozhezhongtouzishuiping
，caikenengzuidaxianduditigaoyayuzhishejidejienengxiaoyi。

 

suiranyayuzhiyunzuozuidachengdudiliyongledianyahegonghaozhijiandepingfangguanxi，danshi，tabingfeizaisuoyouqingkuangxiayeshizuishihedejingtiguanyunzuofanganxuanze。youyuyayuzhiyunzuodexingnengyingxiang，taduijinyuzhishenzhichuantongchaoyuzhifangandengshiyongjiaogaodianyadedianluyouyichu。liru
，cunchukuaizaicunqushibuyidingnenggoucongchaodidianyayunzuozhongshouyi。

 

在設計節能微控製器時，重要的是在電路水平方麵分析電壓、功率和性能之間的折衷權衡。這項工作已經在Apollo係列微控製器的核心Ambiq亞閾值功率優化技術(SPOT)平台上進行了廣泛的實施。

 

雖然電路水平設計選擇將在優化能量采集功率物聯網(IoT)應(ying)用(yong)中(zhong)發(fa)揮(hui)作(zuo)用(yong)，但(dan)是(shi)
，係(xi)統(tong)級(ji)的(de)決(jue)策(ce)對(dui)於(yu)總(zong)能(neng)耗(hao)也(ye)有(you)著(zhe)十(shi)分(fen)重(zhong)大(da)的(de)影(ying)響(xiang)。關(guan)鍵(jian)舉(ju)措(cuo)是(shi)盡(jin)可(ke)能(neng)減(jian)少(shao)不(bu)必(bi)要(yao)的(de)活(huo)動(dong)，這(zhe)通(tong)常(chang)使(shi)用(yong)智(zhi)能(neng)應(ying)用(yong)的(de)睡(shui)眠(mian)模(mo)式(shi)來(lai)實(shi)現(xian)。采(cai)用(yong)最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)提(ti)高(gao)每(mei)個(ge)時(shi)鍾(zhong)周(zhou)期(qi)所(suo)執(zhi)行(xing)工(gong)作(zuo)量(liang)的(de)處(chu)理(li)器(qi)架(jia)構(gou)，還(hai)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)進(jin)一(yi)步(bu)的(de)提(ti)升(sheng)。　

 

微控製器通常具有不止一個低功耗睡眠模式，從局部存儲器和大多數外設保持供電但CPU內(nei)核(he)本(ben)身(shen)待(dai)機(ji)的(de)輕(qing)度(du)睡(shui)眠(mian)模(mo)式(shi)，直(zhi)到(dao)大(da)多(duo)數(shu)功(gong)能(neng)禁(jin)用(yong)和(he)掉(diao)電(dian)的(de)深(shen)度(du)睡(shui)眠(mian)模(mo)式(shi)。由(you)於(yu)越(yue)來(lai)越(yue)少(shao)的(de)外(wai)設(she)和(he)內(nei)核(he)功(gong)能(neng)保(bao)持(chi)啟(qi)用(yong)


，因(yin)此(ci)增(zeng)加(jia)了(le)節(jie)省(sheng)的(de)能(neng)量(liang)。但(dan)是(shi)，這(zhe)種(zhong)設(she)計(ji)存(cun)在(zai)重(zhong)大(da)的(de)折(zhe)衷(zhong)。

 

一般說來，IoT傳chuan感gan器qi節jie點dian需xu要yao對dui其qi周zhou圍wei的de環huan境jing進jin行xing監jian測ce
，並bing在zai係xi統tong條tiao件jian發fa生sheng變bian化hua時shi做zuo出chu反fan應ying。對dui於yu低di功gong耗hao嵌qian入ru式shi係xi統tong
，特te別bie是shi在zai采cai用yong能neng量liang采cai集ji係xi統tong時shi依yi賴lai間jian歇xie電dian源yuan的de嵌qian入ru式shi係xi統tong來lai說shuo
，優you化hua的de關guan鍵jian就jiu是shi找zhao到dao仍reng然ran能neng夠gou對dui實shi時shi事shi件jian做zuo出chu適shi當dang反fan應ying的de最zui低di功gong耗hao睡shui眠mian模mo式shi。

 

在zai實shi際ji係xi統tong中zhong的de微wei控kong製zhi器qi最zui低di能neng量liang睡shui眠mian模mo式shi，一yi般ban是shi由you實shi時shi時shi鍾zhong處chu理li基ji本ben的de內nei務wu管guan理li功gong能neng，並bing且qie定ding期qi喚huan醒xing係xi統tong來lai檢jian查zha活huo動dong。例li如ru每mei秒miao喚huan醒xing係xi統tong以yi檢jian查zha外wai部bu條tiao件jian的de變bian化hua，如ru果guo需xu要yao軟ruan件jian處chu理li輸shu入ru的de話hua
，便bian轉zhuan而er完wan全quan喚huan醒xing處chu理li器qi內nei核he。但dan是shi
，在zai報bao警jing情qing況kuang相xiang當dang少shao，而er且qie間jian隔ge並bing不bu均jun勻yun的de係xi統tong中zhong，這zhe種zhong輪lun詢xun式shi方fang法fa是shi非fei常chang浪lang費fei的de。

 

如果讓係統使用較高能量的睡眠狀態來處理I/O
，一旦超過閾值便可以快速喚醒處理器內核，從而確保對隨機中斷做出更快的響應；danshizhexiemoshikenengxiaohaonengliangku，shidechuliqimeiyouzugoudegonglvlaixiangying。danshi
，womenyoukenengkeyijieheshendushuimianmoshidechangchu，errengranduiguanjianshuruzuochukuaisuxiangying。

 

youxiechaodinengliangshishishizhongshejikeyijiancewaibushijian
，liruyingjianzhongduanyinqidewentihuobijiaoqigancedaodeshurudianyabianhua。dangjiancedaowaibushijianshi，xitongkexunsuzhuanxianghuanxingzhuangtai，buhuiyinweizhixinglunxuncelveeryinqigonglvsunshi，bingqiezuidaxiandudiyanchanglexitongchuyushendushuimianmoshideshijian。

 

在處理軟件時，重要的是確保每個時鍾周期可以實現最高工作量。在傳遞給用戶與/或雲端之前
，許多IoT傳感器應用需要使用信號處理算法來檢測問題和預處理數據。這不僅要求使用32位處理器架構而不是8位處理器架構(因為32位處理器隻需更少的周期便可處理這些數學運算)，而(er)且(qie)要(yao)求(qiu)采(cai)用(yong)全(quan)麵(mian)支(zhi)持(chi)定(ding)點(dian)和(he)浮(fu)點(dian)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)指(zhi)令(ling)的(de)架(jia)構(gou)。用(yong)於(yu)浮(fu)點(dian)運(yun)算(suan)的(de)硬(ying)件(jian)支(zhi)持(chi)
，可(ke)以(yi)確(que)保(bao)在(zai)減(jian)少(shao)很(hen)多(duo)的(de)周(zhou)期(qi)內(nei)完(wan)成(cheng)運(yun)算(suan)，從(cong)而(er)允(yun)許(xu)內(nei)核(he)快(kuai)速(su)返(fan)回(hui)到(dao)更(geng)節(jie)能(neng)的(de)睡(shui)眠(mian)狀(zhuang)態(tai)，進(jin)一(yi)步(bu)降(jiang)低(di)總(zong)體(ti)係(xi)統(tong)級(ji)能(neng)耗(hao)。這(zhe)種(zhong)要(yao)求(qiu)組(zu)合(he)需(xu)要(yao)選(xuan)擇(ze)ARM Cortex-M4F這樣的處理器
，也就是Ambiq Apollo係列所采用的處理器。

 

由(you)於(yu)能(neng)效(xiao)提(ti)升(sheng)從(cong)係(xi)統(tong)級(ji)降(jiang)低(di)到(dao)低(di)電(dian)壓(ya)水(shui)平(ping)的(de)電(dian)路(lu)運(yun)作(zuo)，將(jiang)電(dian)壓(ya)控(kong)製(zhi)推(tui)動(dong)到(dao)極(ji)限(xian)
，使(shi)得(de)能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)能(neng)夠(gou)成(cheng)為(wei)物(wu)聯(lian)網(wang)日(ri)益(yi)廣(guang)泛(fan)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)設(she)計(ji)的(de)可(ke)行(xing)選(xuan)擇(ze)。

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