北美公用事業(yè)領(lǐng)域正致力于安裝智能電表。巴西監(jiān)管機(jī)構(gòu) ANEEL 要求在全國(guó)內(nèi)全面增裝智能電表引起熱議。歐洲各個(gè)公用事業(yè)領(lǐng)域致力于為智能電表開(kāi)發(fā)獨(dú)特的通信方式。

各公司推廣家庭局域網(wǎng) (HAN) 解決方案更是助長(zhǎng)這一形勢(shì)。未來(lái)愿景包括在每個(gè)洗衣機(jī)、烘干機(jī)、冰箱，甚至燈泡上安裝能源測(cè)量設(shè)備！每個(gè)設(shè)備都可以通過(guò) ZigBee、藍(lán)牙或其他低功耗短距離通信協(xié)議方便地與家庭路由器進(jìn)行通信。

2017 年的今天，北美大部分地區(qū)、歐洲和亞洲許多國(guó)家都安裝了智能電表。公用事業(yè)領(lǐng)域正通過(guò)智能電表監(jiān)控電力使用情況，不再需要雇傭抄表員走街串巷，手動(dòng)讀取每個(gè)電表，節(jié)省了大筆的成本支出。然而，完整的智慧能源建設(shè)的愿景有所不同。每個(gè)燈泡的能源測(cè)量未能實(shí)現(xiàn)，這可能是由于與燈泡消耗的能源成本相比這種系統(tǒng)的成本較高。通過(guò)小型日光燈燈泡和 LED 等低能耗光源進(jìn)一步降低這種能源成本。也許只是我們對(duì)某些粒度級(jí)別的數(shù)據(jù)的需求最大化了。然而，盡管智慧能源的愿景之一未能實(shí)現(xiàn)，但是許多精彩的進(jìn)步為人們開(kāi)啟了新視野。

咖啡就是一個(gè)很好的例子。十年前，北美的大多數(shù)人和餐館使用玻璃或陶瓷壺煮咖啡，然后將咖啡壺坐在爐子上。爐子會(huì)持續(xù)消耗能源，緩緩地煮咖啡，也破壞了味道。后來(lái)，有人想出其他好主意，將咖啡放在熱水瓶里來(lái)保溫。這樣，咖啡不再連接電網(wǎng)，進(jìn)入“離線”狀態(tài)。此外，煮咖啡消耗的能源更少，并且口味更佳。這是智慧能源一個(gè)很好的例子！

咖啡的例子引入了工程系統(tǒng)的其他概念，最大限度地提高性能和節(jié)約能源。毫微功耗是一個(gè)很大的進(jìn)步。毫微功耗概念描述了某些零件在不工作但不完全關(guān)閉時(shí)的靜態(tài)電流消耗。最新產(chǎn)品采用先進(jìn)的模擬 CMOS 工藝技術(shù)，具有微不可量的毫微安級(jí)工作電流。主要節(jié)能優(yōu)勢(shì)首先來(lái)自這些系統(tǒng)的占空比；其次通過(guò)分散功耗架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。以下是展示毫微功耗優(yōu)點(diǎn)的三個(gè)設(shè)備和電路示例。

煙霧探測(cè)器是首批物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備之一。它們需要靠一塊電池運(yùn)行 10 年，無(wú)需頻繁更換電池，可在斷電期間正常工作。圖 1 所示的是一個(gè)典型的現(xiàn)代煙霧報(bào)警器，包括一塊電池、多個(gè) DC / DC 轉(zhuǎn)換器，一個(gè)微控制器、射頻通信、一個(gè)傳感器（其架構(gòu)可能多種多樣）和一個(gè)壓電蜂鳴器。圖 1 中的表格基于現(xiàn)今可用的元器件列出了每個(gè)模塊的電流消耗示例值。如果是光學(xué)煙霧傳感器，驅(qū)動(dòng) LED 的峰值電流將達(dá)到 mA 級(jí)別，但平均電流會(huì)下降，因?yàn)?LED 的工作循環(huán)通常相對(duì)不頻繁。在大多數(shù)報(bào)警器中，有源電路僅在 0.05％ 的時(shí)間內(nèi)對(duì)空氣進(jìn)行采樣，這意味著系統(tǒng)在 99.95％ 的時(shí)間內(nèi)以靜態(tài)模式運(yùn)行。不考慮占空比可能完全不同的射頻電路，全功率模式下的主電路將消耗 12.6 mA。靜態(tài)時(shí)，主電路消耗 5.5 μA。因此，有源電路每秒消耗的平均電流為 12.6 mA x 0.0005 = 6.3 µA，得出平均電流消耗為 11.8 μA。現(xiàn)在，高于 1 μA 的靜態(tài)電流開(kāi)始影響系統(tǒng)電池壽命。在 ~10 µA 的電流消耗范圍內(nèi)，電流消耗每增加 1 μA，則 1500 mAhr 電池的壽命將減少一年。

圖 1： 典型的現(xiàn)代煙霧報(bào)警器在大多數(shù)情況下以靜態(tài)模式運(yùn)行，因此靜態(tài)電流越低，其電池壽命越長(zhǎng)。

毫微功耗的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)源自可以關(guān)閉系統(tǒng)內(nèi)電路的功能。在這種類型的架構(gòu)中，電池監(jiān)控和實(shí)時(shí)時(shí)鐘之類的關(guān)鍵元器件保持開(kāi)啟，而微控制器和 RF 電路等主要耗電器件則關(guān)閉或進(jìn)入其最低功耗模式。圖 2 中的電路為用于監(jiān)控電池電壓的毫微功耗窗口比較器。比較器僅在電池電壓高于或低于允許電壓時(shí)發(fā)出警報(bào)，提供有價(jià)值的安全功能并延長(zhǎng)電池使用壽命。系統(tǒng)微控制器不需要工作，除非從以典型 900 nA 電流運(yùn)行的比較器接收到報(bào)警。從本質(zhì)上講，這成為了一種智慧能源架構(gòu)，可以盡可能節(jié)省能源，同時(shí)剝離必須始終通電之功能的特定電路。

圖 2： 監(jiān)控電池電壓的毫微功耗窗口比較器。

最后一個(gè)示例是適配器或電池電源，通常稱為 ORing 二極管電源。在這種電源中，優(yōu)秀的設(shè)計(jì)師將肖特基二極管與電池電源串聯(lián)以限制壓降，并因此限制二極管的功率損耗，同時(shí)保護(hù)電路（圖 3）。例如，承載 1 A 電流時(shí)，Maxim 的新型 MAX40200 僅降低 85 mV，承載 500 mA 時(shí)，通常會(huì)降低 43 mV。這種性能比典型的肖特基二極管高出兩到四倍，以智能方式進(jìn)一步節(jié)省數(shù)十至數(shù)百毫瓦的電池電量。

圖 3： 承載 1 A 電流時(shí)，MAX40200 僅降低 85 mV。

所有這些與咖啡有何關(guān)聯(lián)？就像咖啡一樣，架構(gòu)正在改變。各種子系統(tǒng)基本上與中央處理器斷開(kāi)，然后定期連接，從而顯著降低該過(guò)程中的能耗。高級(jí)處理能力和模擬架構(gòu)將這些構(gòu)件的功耗降至前所未有的低水平。新型智慧能源運(yùn)動(dòng)不僅僅涉及能源測(cè)量和通信。新型智慧能源是結(jié)合先進(jìn)元器件的智能系統(tǒng)架構(gòu)，在解鎖新應(yīng)用程序的同時(shí)提高系統(tǒng)電池壽命和可靠性。