suiranzhexiexitongkeyishiyongdianchigongdian
，suoyibuxuyaojiangchuanganqiyuzhudianyuanlianjie，danshirengranxuyaogenghuandianchihuochongdian。yidanfangzhizaidaxingmadahuowolunjifujin，bianhennanchujihegenghuandianchi。buguo


，xuduozhexieyingyongdeyoudianshitamenkeyizijitigongnengliang
，zigeizizu。　

 

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”deyuzhidianyaqishibingbuxuyaoshiweiluojihemonidianludemubiao。weilegeibansuimeigezhajidedianronglujingchongdian，luojijingtiguanchuantongshangbeishejiweibaoheshitongguogaodianliushuiping
；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)。

 

 

當dang電dian壓ya進jin一yi步bu下xia降jiang到dao深shen度du亞ya閾yu值zhi範fan圍wei時shi
，泄xie漏lou損sun失shi的de能neng量liang比bi例li將jiang占zhan優you勢shi
，除chu了le性xing能neng考kao慮lv
，還hai引yin致zhi考kao慮lv供gong電dian電dian壓ya能neng夠gou降jiang低di到dao什shen麼me程cheng度du的de次ci級ji限xian製zhi(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 Micro進jin行xing了le多duo年nian研yan究jiu，帶dai來lai了le這zhe種zhong技ji術shu等deng多duo項xiang亞ya閾yu值zhi技ji術shu創chuang新xin。為wei了le有you效xiao地di利li用yong這zhe項xiang技ji術shu，還hai必bi須xu對dui整zheng個ge設she計ji流liu程cheng進jin行xing重zhong新xin設she計ji，包bao括kuo從cong實shi施shi亞ya閾yu值zhi邏luo輯ji電dian路lu的de標biao準zhun元yuan件jian庫ku直zhi到dao測ce定ding納na安an和he皮pi安an電dian流liu的de測ce試shi策ce略lve。隻zhi有you通tong過guo這zhe種zhong投tou資zi水shui平ping，才cai可ke能neng最zui大da限xian度du地di提ti高gao亞ya閾yu值zhi設she計ji的de節jie能neng效xiao益yi。

 

雖(sui)然(ran)亞(ya)閾(yu)值(zhi)運(yun)作(zuo)最(zui)大(da)程(cheng)度(du)地(di)利(li)用(yong)了(le)電(dian)壓(ya)和(he)功(gong)耗(hao)之(zhi)間(jian)的(de)平(ping)方(fang)關(guan)係(xi)，但(dan)是(shi)，它(ta)並(bing)非(fei)在(zai)所(suo)有(you)情(qing)況(kuang)下(xia)也(ye)是(shi)最(zui)適(shi)合(he)的(de)晶(jing)體(ti)管(guan)運(yun)作(zuo)方(fang)案(an)選(xuan)擇(ze)。由(you)於(yu)亞(ya)閾(yu)值(zhi)運(yun)作(zuo)的(de)性(xing)能(neng)影(ying)響(xiang)，它(ta)對(dui)近(jin)閾(yu)值(zhi)甚(shen)至(zhi)傳(chuan)統(tong)超(chao)閾(yu)值(zhi)方(fang)案(an)等(deng)使(shi)用(yong)較(jiao)高(gao)電(dian)壓(ya)的(de)電(dian)路(lu)有(you)益(yi)處(chu)。例(li)如(ru)

，存(cun)儲(chu)塊(kuai)在(zai)存(cun)取(qu)時(shi)不(bu)一(yi)定(ding)能(neng)夠(gou)從(cong)超(chao)低(di)電(dian)壓(ya)運(yun)作(zuo)中(zhong)受(shou)益(yi)。

 

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。

 

有you些xie超chao低di能neng量liang實shi時shi時shi鍾zhong設she計ji可ke以yi檢jian測ce外wai部bu事shi件jian
，例li如ru硬ying件jian中zhong斷duan引yin起qi的de問wen題ti或huo比bi較jiao器qi感gan測ce到dao的de輸shu入ru電dian壓ya變bian化hua。當dang檢jian測ce到dao外wai部bu事shi件jian時shi，係xi統tong可ke迅xun速su轉zhuan向xiang喚huan醒xing狀zhuang態tai，不bu會hui因yin為wei執zhi行xing輪lun詢xun策ce略lve而er引yin起qi功gong率lv損sun失shi
，並bing且qie最zui大da限xian度du地di延yan長chang了le係xi統tong處chu於yu深shen度du睡shui眠mian模mo式shi的de時shi間jian。

 

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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