通过nanoPower技术让智能能源更加智能

在2011年，我们看到了围绕智能能源的很多兴奋。例如，北美的公用事业公司正忙于安装智能电表。在巴西，该国的电力监管机构 Agencia Nacional de Energia Eletrica 呼吁为该国建造一个完整的智能电表，这引起了极大的兴奋。在欧洲，一些公用事业公司正在创造自己独特的方式来通过智能电表进行通信。

当时引起了更多轰动，许多公司都在推广家庭局域网 （HAN） 解决方案。周围有令人兴奋的愿景，包括每台洗衣机、烘干机、冰箱……甚至灯泡上的能量测量装置。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通信。

时至今日，北美大部分地区以及欧洲和亚洲的许多国家都安装了智能电表。公用事业公司正在监控电力使用情况。他们还省去了一些抄表员，因为抄表员会走遍社区手动抄表。但是，构建完整的智能能源的愿景是不同的。例如，我们并没有真正测量每个灯泡上的能量，这可能是由于此类系统的高成本与运行一盏灯的能量成本相比。进一步降低这种能源成本的是低能耗光源，如紧凑型荧光灯和 LED。也许我们只是在某些粒度级别上最大化了我们对数据的需求。然而，这不是应该引起绝望的情况。毕竟，虽然智能能源的一个愿景并没有成为现实，

以咖啡为例。十年前，北美的大多数人和餐馆通常会在玻璃或陶瓷壶中煮咖啡，然后将其放在燃烧器上以保持温暖。那个燃烧器不仅消耗能量，而且还慢慢地煮咖啡，破坏了味道。当有人想出将咖啡放入保温瓶中以保持咖啡热量的好主意时，喝咖啡的人会欣喜若狂。这一步使咖啡“离线”，因为它不再连接到电网。结果，咖啡制作消耗更少的能量，并产生更好的味道。这是智能能源的一个很好的例子吗？

咖啡示例与工程系统的其他概念相似，这些概念既能最大限度地提高性能又能节省能源。一个巨大的进步是 nanoPower 技术，其中某些部件的电流消耗处于静止状态 - 不运行，但也没有完全关闭。较新的产品利用先进的模拟 CMOS 工艺技术，以极小到几乎无法测量的纳安电流运行。这些系统具有两个主要的节能优势：首先是循环工作，其次是分散功耗架构。接下来，让我们看一些提供 nanoPower 技术优势的器件和电路示例。

烟雾探测器是最早的物联网 （IoT） 设备之一。通常，它们预计可以使用电池运行 10 年，支持在停电期间不经常更换电池和运行。图 1 显示了典型的现代烟雾报警器的框图，该报警器具有电池、多个 DC/DC 转换器、微控制器、RF 通信、传感器（可能是各种架构）和压电蜂鸣器。表 1 是基于现代组件的每个模块的电流消耗示例值。在光学烟雾传感器的情况下，运行 LED 的峰值电流将在 mA 范围内，但平均下降，因为 LED 通常以相对不频繁的速度循环进入。在大多数警报中，有源电路可能仅在 0.05% 的时间内对空气进行采样。因此，在 99.95% 的时间里，系统以静止模式运行。剔除可能具有完全不同占空比的射频电路，全功率模式下的主电路将消耗 11mA。在静态期间，主电路将消耗 5.5µA。因此，有源电路每秒消耗的平均电流为11mA X 0.0005 = 5.5µA，也就是说平均电流消耗为11µA。请注意，任何超过 1 µA 的静态电流都会开始影响系统电池寿命。因此，在 10µA 电流消耗范围内，每增加 1µA 电流会影响 1500mAhr 电池寿命一年。这意味着平均电流消耗为 11µA。请注意，任何超过 1 µA 的静态电流都会开始影响系统电池寿命。因此，在 10µA 电流消耗范围内，每增加 1µA 电流会影响 1500mAhr 电池寿命一年。这意味着平均电流消耗为 11µA。请注意，任何超过 1 µA 的静态电流都会开始影响系统电池寿命。因此，在 10µA 电流消耗范围内，每增加一个 µA 电流会影响 1500mAhr 电池寿命一年。

图 1. 典型的现代烟雾探测器框图

*DC/DC 功耗基于 50mA 输出电流，效率约为 77%。

nanoPower 技术还可以通过关闭系统内的电路来提供优势。在这种类型的架构中，电池监控和实时时钟等关键组件保持运行。微控制器和射频电路等主要耗电设备要么关闭，要么进入最低功耗模式。图 2 中的电路显示了一个用于监控电池电压的 nanoPower 窗口比较器。比较器提供有价值的安全功能，仅在电池高于或低于允许电压时发送警报。系统微控制器不必运行，除非它收到来自比较器的警报，比较器以 900nA 的典型电流运行。从本质上讲，这变成了一种智能能源架构：它尽可能地节省能源，

图 2. 监控电池电压的 nanoPower 窗口比较器

展示 nanoPower 技术优势的最后一个示例是来自壁式电源或电池的电源，通常称为 ORing 二极管电源。在此类电源中，优秀的设计人员会将肖特基二极管与电池电源串联。这种方法限制了电压降，因此限制了二极管上的功率损耗，同时仍然保护了电路。例如，新型MAX40200 理想二极管电流开关在承载 1A 电流时下降低至 85mV，而在承载 500mA 电流时下降通常为 43mV。这种性能是典型肖特基二极管的两到四倍，巧妙地节省了数十到数百毫瓦的电池电量。

就像我们的咖啡示例一样，智能能源架构正在发生变化。各种子系统基本上与中央处理器断开连接并定期检查，从而大大降低了能源消耗。凭借先进的处理和模拟架构，这些构建模块现在消耗的功率前所未有地低。然而，新的智能能源运动不仅仅是能源测量和通信。新的智能能源包括智能系统架构和先进的组件，共同提高系统电池寿命和可靠性，并在此过程中解锁新应用。