电池供电的 IoT：怎样做一份能预测真实续航的休眠电流预算

续航是一道算术题，而多数估算漏掉了一半

数据手册里一行"深度休眠 2 µA"，几乎说明不了产品能用多久。真正重要的是整个周期里的平均电流：一长段极小的电流，加上一小段比它大几千倍的突发电流。老老实实把它们加起来，突发部分通常是主角。有些团队花几周时间从休眠状态里抠出一微安，却让射频多开了一秒，这是在优化错误的一端。

解决办法是做电流预算：在硬件定型之前写一张表，列出设备经历的每个状态、电流多大、持续多久。这只需要一个下午，却能平息大部分争论。

把预算做成一张表

按顺序列出一个周期里的每个状态：深度休眠、唤醒与启动、传感器上电与读取、射频启动与连接、发送、等待应答、后处理、回到休眠。每一项写上电流和时间，算出每个周期的电荷量（电流乘时间），再把各项加起来。

下面是一个示意性的例子，数字是编的，但合情合理。设备每分钟上报一次。休眠电流 5 µA，每次唤醒 100 ms，平均 20 mA，用来读传感器、连网并发送一条短消息。

• 工作突发：20 mA × 0.1 s = 2.0 mA·s
• 深度休眠：0.005 mA × 59.9 s = 0.30 mA·s
• 每个 60 秒周期合计 2.30 mA·s，平均约 38 µA

1000 mAh 的电池在不做降额的情况下能用约 26000 小时，接近三年。降额很重要：低温和大脉冲电流会让可用容量下降，电池会自放电，设备会在截止电压而不是零电压时就停止工作。先按标称容量的 60% 到 70% 来规划是合理的，这里大约是两年。

有用的启示在于占比。这个例子里，休眠只占电荷量的 13% 左右。把工作时间减半，平均电流几乎减半；把休眠电流减半，只省不到 7%。预算会告诉你该把功夫花在哪里。

休眠电流到底去了哪里

当休眠电流比单片机数据手册里的数字高时，几乎都是板上其他东西的问题。按顺序检查：

• 稳压器。LDO 的静态电流，以及开关电源在轻载下的效率，都可能超过单片机自己的休眠电流。有些转换器有低功耗模式，有些要在大得多的负载下才能达到标称效率。
• 上拉、下拉电阻：当某根线被拉低时，它们会跨在电源两端消耗电流；还有悬空的输入，会让输入级导通。
• 电池电压检测分压器。3.6 V 电池上接一个 100 kΩ 的分压器，就会消耗 18 µA，比很多整机休眠电流还大。要做成可开关的，或者用大得多的阻值配合采样保持的方法。
• 没断电的外设。传感器、电平转换器、LED、外部闪存（用它的深度掉电命令）、显示屏、GPS 和蜂窝模块。给每一路非必要的电源加一个负载开关，是便宜的保险。
• 一直开着的保护芯片和电量计。
• 仍然连着的调试器或串口适配器，会通过信号线给板子反向供电。测量时要把它们拔掉。

让工作时间变短

既然突发部分占主导，大的收益就在这里。

• Wi-Fi。扫描、关联、获取地址，往往比发送数据本身还久。保存信道和接入点地址并直接重连，用静态地址或缓存的租约，一次短事务就把数据发完。
• 低功耗蓝牙。广播间隔和连接间隔既是延迟参数，也是续航参数。先确定产品真正需要多快的响应，再选满足要求的最长间隔。
• 蜂窝，包括 GPRS。网络附着和注册要几秒，比有效数据更耗电。让模块只在通信期间上电，并把多个读数合并成一次会话。
• GPS。冷启动可能要几十秒的大电流，带有最新星历的热启动则少得多。只在定位成功之前上电，然后立即关闭，并认真想一想到底需要多久定位一次。
• 处理器。快速完成再回到休眠，往往比慢慢算更省能量，要实测而不是假设。把闪存写入合并，因为擦除和编程闪存都是昂贵的操作。

唤醒源与定时

靠事件或定时器唤醒，绝不用轮询。精确的 32 kHz 晶振用一点电流换来准确的定时；内部振荡器更便宜但会漂移，唤醒时间表里的漂移，就会变成错过的网络时间窗。看门狗和实时时钟要用它们允许的最低功耗时钟，并确认看门狗在休眠期间的行为，因为有些配置会让它停止，有些不会。

要正确地测量

• 台式万用表是取平均的。它会很乐意给你一个数字，把比休眠电流大一千倍的突发藏在里面。
• 用电流分析仪或带快速采样的源测量单元，或者用小阻值采样电阻加示波器，看完整个周期，包括突发之后外设仍在耗电的拖尾。
• 测休眠电流时，所用仪器的量程要能到微安甚至更低，并确认仪器自身的压降不会让设备掉电重启。
• 用真实类型的电池测，并在产品会遇到的极端温度下测。也要在信号差的地方测射频，重试会成倍增加工作时间。

然后把实测值填回预算里，再跑几天真实运行，对比预测。一份从不与实测对账的预算，不过是表格包着的一个猜测。

电池本身也是电路的一部分

电池有内阻，几十毫安的脉冲会让它的电压下陷，有时大到足以让设备复位。特别是小型一次性电池，脉冲能力有限，可能需要在负载附近加大电容，或者换一种电池体系。要看突发期间设备处的电压，而不是静态时的。

我们工作中的一个例子

我们的 Apollo2 低功耗 IoT 终端就遵循这种模式：单片机绝大部分时间处于深度休眠，由实时时钟唤醒，GPRS 和 GPS 只在需要上报时才上电。如果你在设计电池供电的产品，希望预算、硬件和固件三者保持一致，请看我们的 IoT 产品开发服务，以及低功耗无线硬件设计指南。