如何设计具有 25 年电池寿命的设备

手机和数据中心中更快的数据通信成为头条新闻，但许多应用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，为更好的性能而设计会导致能源浪费并大幅缩短电池充电之间的时间。对于智能远程燃气表或水表等机器对机器 (M2M) 的应用尤其如此，它们可能只需要每月连接一次或两次即可传输仪表上的读数。

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。如果安装位置偏远或位于难以更换电池的地方，这一点尤其重要。较长的电池寿命使设备的维护成本降低，进而使节能的 LPWAN 设计特别有吸引力。

在为 LPWAN 设计节能系统时，需要考虑拓扑、通信方法和睡眠模式管理等各种考虑和权衡。这些因素中的每一个都会影响功耗。

LPWAN 使用网状和星形拓扑。网状拓扑提供冗余和跳跃能力。当网状网络中的一个节点出现故障时，数据包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。即使在龙卷风等恶劣天气事件已损坏部分电网的情况下，改线也可以避免客户受到影响。缺点是节点处于近乎连续的侦听模式，以防止万一数据包需要重新路由，因此会消耗更多功率。

星形拓扑更简单。一个节点直接与网络内的另一个节点通信。使用星形拓扑，更长的空闲时间或睡眠模式是可能的，从而节省功率。因此，星型拓扑可能更节能，但其功能也更有限。

这是拼图的一部分。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特性。

“Wi-Fi HaLow 提供长距离、低功耗 Wi-Fi，满足物联网 (IoT) 的独特要求，可在工业、农业、智能建筑和智慧城市环境中实现各种应用场景，” Wi-Fi 联盟营销高级副总裁 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)、延长的最大空闲时间、分层流量指示图 (TIM)、短信标和空数据 PHY 帧，这些都是包括传感器网络和可穿戴设备等应用中所必需的功能。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，并减少相对于传统管理和控制帧的数据包大小和传输时间，所有这些都有助于实现Wi-Fi HaLow 的低功耗优势。”

调制是 LoRa 中使用的关键低功耗方法之一。 “调制方法对于实现电源效率很重要，”LoRa 联盟技术委员会副主席 Olivier Seller 说。 “例如，在发送器的包络恒定的情况下，LoRa 芯片可以在仅消耗 65mA（45% 的效率）的同时传输 +20dBm的功率。对于接收器，因为不需要事先同步，所以一旦接收器处于活动状态，它就可以接收信号（如果存在）。如果没有信号存在，它可能会很快返回空闲模式——通常为 10 毫秒到 100 毫秒。该协议使用这种即时接收特性以短接收窗口的形式设置下行链路机会。为了实现最长的电池寿命，仅在发送上行链路（A 类）后，充当传感器的设备才会在短时间内处于“接收”模式。通过不一直倾听，他们可以节省能源。”

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，都会消耗功率。低效的通信可能需要更多的数据位或数据包以及更长的“空中”无线电时间并消耗更多功率。一些设计可以支持自适应数据速率以成功缩短播出时间，并在可能的情况下避免重传，这会增加开销。最节能的通信是异步的，仅在一个方向上发送和接收数据。虽然异步通信可以延长电池寿命，但代价是较低的吞吐量和较高的延迟。这可能有效对于某些应用，特别是每月只需要通信一两次的物联网设备中，甚至必须每 24 小时通信一次的物联网设备中。

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图 1：不同的使用模式及其对电池寿命的影响。资料来源：Ingenu

对于某些细分市场，服务质量 (QoS) 是一个关键要素。为满足 QoS 目标，蜂窝 LPWAN 可能采用同步通信，其中数据包双向传输。在同步通信中，设备向基站发送允许发送数据的消息。虽然同步通信可以帮助将 QoS 保持在所需的水平，但这种方法比异步通信消耗更多的功率。此外，LTE-M 还提供语音支持，这是另一个耗电的应用。传输的比特数越少就等于节能。

经常使用的一种节能技术是睡眠模式管理。可以对设备进行编程以使其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。即使在睡眠模式下，许多不同的考虑也会发挥作用。例如，设备何时会进入睡眠状态？什么时候可以唤醒设备以收听消息？是否有任何强制设备唤醒？每次醒来都会经过认证过程以确保安全吗？一般来说，设备休眠的时间越长，电池寿命就越长。

但是有很多因素会影响电池寿命。 LPWAN 选择只是其中之一。

“它们包括传输的数据量、拓扑类型、RF 无线电设计以及无线电塔和设备之间的握手，”Paragon Innovations 高级技术副总裁 Mike Willey 说。 “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 IoT 设备。一些开发人员可能没有意识到电池会随着时间的推移而自行放电。根据化学成分的不同，一些锂离子电池可能会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您将损失多少能量。大多数预计的电池寿命长度是基于计算和假设的。”

为工业物联网选择合适的电池类型是延长使用寿命的关键

大多数 LPWAN 设计讨论涉及使用硬币大小的电池或 AA 消费类不可充电电池。根据计算和数据通信方式的某些假设，电池寿命可以达到10年以上。然而，这并不总是如预期般奏效。其他因素直接影响电池寿命，例如电池化学物质、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，也存在漏电流。虽然很小，但它仍然消耗电力。在某些用例中，电路泄漏最终可能会消耗超过 50% 的电池能量。

对于电子设备，当今最流行的电池是使用锂。为了实现更长的电池寿命，超过 25 年，工业物联网电池将金属锂与其他化学品结合使用。在一些工业应用中，例如智能电表，电池的使用寿命与电表本身一样长。这些电池可以使用升压电容器进行定制设计。电池自放电水平取决于制造质量。这就是为什么用于工业物联网设备的优质电池可能比同等的消费类电池成本高得多，但是电池的使用寿命差异可能是 25 年甚至更长。

“在为工业物联网应用选择电池时，重要的是要考虑尺寸、化学品、电路设计及其功耗，”Saft 应用工程师 Isabelle Sourmey 说。 “大多数物联网设计人员可能没有计算泄漏的电流，这将直接影响电池的寿命。他们可能会惊讶地发现，在一些测试中，电池只能使用指定 10 年以上的一小部分。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会很有帮助。”

在设计阶段，提前解决泄漏问题要容易得多。但要真正最大限度地提高 LPWAN 设备的能效，有必要优化整个系统的效率——睡眠模式管理、通信和芯片设计——同时最大限度地减少电流泄漏。

Synopsys 物联网战略营销经理 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电流泄漏解决方案。 “以时钟门控为例，除了一个小的低功耗时钟/PLL 和一个保持开启的‘保持活动区域’外，所有时钟都关闭了芯片。此外，对于没有快速重启或 短时延要求的应用，您需要使用较慢的重启能力要求。有不同的工具可用于实现这些技术，例如采用 Synopsys 的厚氧化物库，可显着降低睡眠状态下的功耗。”

设计整个系统时需要考虑到节能

LPWAN 是非常特定于应用程序的，范围从高清视频监控到语音支持，再到简单的不频繁的燃气表读数。那些要求更高系统性能的应用会消耗更多功率。第一步是为应用程序选择合适的拓扑或架构。例如，如果应用需要语音支持，LTE IoT——与 LTE-M 相同，其中 M 代表机器（Machine ）——是唯一的选择。该技术的发明是为了支持移动设备，包括手机。它具有更多功能，但消耗更多能量。专用于 M2M 的替代方案不支持视频或音频，并且更加节能。

一旦选择了拓扑，工程师就需要从设计的最早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件可以在较低电压下运行。

“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)，”Ansys 半导体产品营销总监 Marc Swinnen 说。 “但是非常低的电压会带来两个问题。第一，它对配电网络的质量提出了非常高的要求，如果芯片要工作，则在通往逻辑门的途中没有电压降的空间。其次，在这些低电压下，即使栅极上的小电压降也会降低该栅极的开关速度，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，以确保芯片在开关活动、温度和硅工艺参数变化的所有可能情况下满足其运行目标。”

睡眠模式管理

将系统尽可能地置于睡眠模式是另一种显而易见的方法，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。虽然水表每月只需要发送一次数据，但如果系统包括漏水检测等附加功能，则需要更短的唤醒间隔时间，因为你不想等一个月才发现有漏水问题。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响应。运营商需要查询平台状态时，是要求1小时内回复还是24小时？

LTE IoT 具有可用于此目的的内置节能功能。其中包括省电模式 (PSM) 和扩展非连续接收 (eDRX)。 PSM 使物联网设备能够以固定的时间间隔唤醒——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消息。然后它又回去睡觉了。根据计算，在 PSM 模式下每天传输一次的设备有可能实现 10 年的电池寿命，这取决于本文所述的其他条件。 eDRX 类似于 PSM，不同之处在于它是由网络发起的。

高效的通信方式

简单、高效的通信是我们的目标。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功率。消耗功率的不仅仅是系统唤醒。与网络建立通信的握手（包括身份验证）也是一个考虑因素。

一种有效的省电方式是建立预认证。当物联网设备或节点第一次与网络建立连接时，网络会经历安全认证过程。初始连接后，可以建立预认证，当设备唤醒时，网络不会再次经历完整的认证周期，从而缩短设备与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。传输的位数越多，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度。根据应用的不同，并非每次传输都需要相同的位数。自适应位长方法可以自动减小数据包大小以缩短通信时间。

更好地与 IP 安全集成

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，即使设备的一部分受到攻击，其他段不会受到影响。

“TrustZone 引入了单独的安全地址空间和处理器状态，以支持安全和非安全应用程序之间的强隔离，”Arm 架构产品管理总监 Mark Knight 说。 “这两个世界之间的隔离是通过先进微控制器总线架构 (AMBA) 互连、外设和处理器中存在的硬件逻辑实现的。为了支持这种能力，已经开发了支持可信应用程序的标准可信平台软件。此代码通常实现可信启动、安全世界切换监视器、安全分区管理器和小型可信操作系统。”

Rambus 在其基于 RISC-V 处理器开发的 Root of Trust IP 内核中采用了类似的方法。通过将其开发为分立的专用组件，它可以针对低功耗进行高度优化。

“失败的一个标志是在不安全的处理器中运行安全算法，”Rambus 的技术总监 Scott Best 说。 “处理器需要优化，就像任何其他电路一样。如果你正在优化它的功耗，或者你正在优化它的性能，或者你正在优化它的安全性，认为你实际上会获得这三个好处之一而不关注功耗是不计后果的乐观。”

定制的安全性可以大幅降低安全性所需的电量。除此之外，可编程性可以使设备与新的安全威胁保持同步。

“电源门控功能块是关键，”Flex Logix 的 IP 销售和营销副总裁 Andy Jaros 说。 “在低功耗广域网中的 eFPGA 的情况下，当侦听块发送中断信号以指示需要发生通信事件时，eFPGA 可以在几微秒内上电并编程，无论目标是否运行在eFPGA。例如，该功能可以是需要读取和准备发送数据的状态机、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，并且可以作为该功能进行更新系统生命周期的变化。在这些类型的应用中，eFPGA 的数量将非常少，不会消耗大量功率。此外，eFPGA 可以使用 UHVT 晶体管进行移植，这种方法有利于在性能次要的应用中实现低功耗。如果唤醒时间具有灵活性，那么使用最少功率的解决方案是关闭 eFPGA 并在上电时对其重新编程。”

结论

LPWAN 技术声称可提供长达 10 年，在某些情况下为 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个系统时考虑到节能、睡眠模式管理、技术拓扑、有效通信、使用 IP 和模拟进行更好的芯片设计以及物联网电池选择。一些开发人员专注于系统设计，将物联网电池选择视为事后的想法。建议在设计周期中包括电池选择。最后，在电池寿命和性能方面，工业物联网电池和消费类 AA 电池之间存在很大差异。预先考虑所有涉及的因素将确保最佳结果，并缩短设计时间。

（编译自：semiengineering）