只要通過(guò)合適的地震量(慣性質(zhì)量)和轉(zhuǎn)換器，便可利用工業(yè)馬達(dá)的振動(dòng)為監(jiān)測(cè)它的系統(tǒng)提供能量。穿戴在身體上的傳感器的情況類似，采集到的振動(dòng)和熱能可以使得電荷呈涓流形式進(jìn)入電容器內(nèi)，用于傳感器供電(圖1)。

 

圖1：各種能量采集方法的功率密度(來(lái)源：技術(shù)研究雜志)

 

雖然這些系統(tǒng)提供了采集能量的機(jī)制，但是它們很少能夠達(dá)到設(shè)計(jì)人員習(xí)慣使用的電池供電系統(tǒng)的功率水平。因此，設(shè)計(jì)一種功率消耗盡可能低的系統(tǒng)是至關(guān)重要的。

 

降低邏輯電路功率的關(guān)鍵目標(biāo)是供電電壓。在CMOS電路中，電壓和功耗之間呈平方關(guān)系，如公式P = CV2f所示，其中C是電路電容，f是開(kāi)關(guān)頻率，V是施加的電壓。從中可以明顯看出，降低電壓可以最大可能地降低功耗。晶體管近閾值和亞閾值運(yùn)作提供了一種獨(dú)特方法，可以將微控制器和其它邏輯電路的供電電壓降低到遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)邏輯電路要求的水平。

 

近閾值和亞閾值運(yùn)作的背后原理，就是器件通常被認(rèn)為“開(kāi)啟”的閾值電壓其實(shí)并不需要視為邏輯和模擬電路的目標(biāo)。為了給伴隨每個(gè)柵極的電容路徑充電，邏輯晶體管傳統(tǒng)上被設(shè)計(jì)為飽和時(shí)通過(guò)高電流水平；但是，給這些電路路徑充電時(shí)，可以不將晶體管開(kāi)關(guān)到完全飽和狀態(tài)，而是允許電流更為緩慢地涓涓流過(guò)。這樣的結(jié)果是開(kāi)關(guān)邏輯狀態(tài)會(huì)變得緩慢，但是，在典型傳感器應(yīng)用中，其實(shí)不需要以最高可能速度進(jìn)行開(kāi)關(guān)。

 

然而，由于閾值電壓在更低水平驅(qū)動(dòng)，所以晶體管泄漏電流呈指數(shù)級(jí)增加(圖2)。

 

 

當(dāng)電壓進(jìn)一步下降到深度亞閾值范圍時(shí)，泄漏損失的能量比例將占優(yōu)勢(shì)，除了性能考慮，還引致考慮供電電壓能夠降低到什么程度的次級(jí)限制(圖3)。

 

 

對(duì)亞閾值電路設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵問(wèn)題是在供電電壓接近閾值時(shí)的過(guò)程變化和其影響。有效設(shè)計(jì)亞閾值電路的關(guān)鍵，就是降低這種變化的影響的機(jī)制，例如專為克服這種變化而設(shè)計(jì)的適應(yīng)性電路。美國(guó)密歇根大學(xué)和Ambiq Micro進(jìn)行了多年研究，帶來(lái)了這種技術(shù)等多項(xiàng)亞閾值技術(shù)創(chuàng)新。為了有效地利用這項(xiàng)技術(shù)，還必須對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，包括從實(shí)施亞閾值邏輯電路的標(biāo)準(zhǔn)元件庫(kù)直到測(cè)定納安和皮安電流的測(cè)試策略。只有通過(guò)這種投資水平，才可能最大限度地提高亞閾值設(shè)計(jì)的節(jié)能效益。

 

雖然亞閾值運(yùn)作最大程度地利用了電壓和功耗之間的平方關(guān)系，但是，它并非在所有情況下也是最適合的晶體管運(yùn)作方案選擇。由于亞閾值運(yùn)作的性能影響，它對(duì)近閾值甚至傳統(tǒng)超閾值方案等使用較高電壓的電路有益處。例如，存儲(chǔ)塊在存取時(shí)不一定能夠從超低電壓運(yùn)作中受益。

 

在設(shè)計(jì)節(jié)能微控制器時(shí)，重要的是在電路水平方面分析電壓、功率和性能之間的折衷權(quán)衡。這項(xiàng)工作已經(jīng)在Apollo系列微控制器的核心Ambiq亞閾值功率優(yōu)化技術(shù)(SPOT)平臺(tái)上進(jìn)行了廣泛的實(shí)施。

 

雖然電路水平設(shè)計(jì)選擇將在優(yōu)化能量采集功率物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用中發(fā)揮作用，但是，系統(tǒng)級(jí)的決策對(duì)于總能耗也有著十分重大的影響。關(guān)鍵舉措是盡可能減少不必要的活動(dòng)，這通常使用智能應(yīng)用的睡眠模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用最大限度地提高每個(gè)時(shí)鐘周期所執(zhí)行工作量的處理器架構(gòu)，還可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的提升?！?/div>