电池供电的传感器系统（如IoT节点、可穿戴设备）需在微安级功耗下实现数年续航。以下是涵盖 传感器选型、电源管理、通信协议、固件优化 的完整低功耗方案。
案例需求：
3V CR2032电池（容量225mAh）
目标续航5年（≈50μA平均电流）
功耗分配建议：
| 模块 | 允许电流 | 实现方案 |
|---|---|---|
| 传感器采集 | ≤20μA | 间歇工作 |
| 信号处理 | ≤10μA | 低功耗MCU |
| 无线通信 | ≤15μA | 短时爆发 |
| 静态损耗 | ≤5μA | 电源优化 |
| 类型 | 工作电流 | 唤醒时间 | 特点 |
|---|---|---|---|
| 温度 | 3.5μA | 15ms | ±0.1℃ |
| 湿度 | 0.4μA@1Hz | 0.8s | ±1.5%RH |
| 加速度计 | 2μA@100Hz | 0ms | 运动唤醒 |
| 霍尔 | 1.6μA | 300μs | 磁触发 |
| 光照 | 0.7μA | 可编程 | 0-40klux |
| 休眠电流 | 运行电流@1MHz | 唤醒时间 | 特色 |
|---|---|---|---|
| 0.3μA | 30μA/MHz | 5μs | TrustZone |
| 0.9μA | 25μA/MHz | 2μs | 能量模式自动切换 |
| 1.2μA | 2mA@64MHz | 10ms | 集成LTE-M |
| 技术 | 峰值电流 | 传输时间 | 距离 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| BLE 5.3 | 6mA | 3ms/pkt | 100m | 可穿戴设备 |
| LoRa | 32mA | 500ms | 5km | 农业监测 |
| Zigbee 3.0 | 22mA | 8ms | 300m | 智能家居 |
[电池] → [DC-DC] → [LDO] → [MCU]
↑ ↑
(效率95%) (超低IQ)
推荐组合：
DC-DC：效率95% @10μA负载
LDO：IQ=0.25μA
根据负载调整MCU电压：
c// STM32U5 VOS配置示例 HAL_PWREx_ControlVoltageScaling(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE3); // 1.0V
满足无线发射时的峰值电流：
复制C ≥ (I_peak × t_pulse) / ΔV 示例：BLE发射需 100μF (6mA × 3ms / 0.1V)
void main() {
while(1) {
enter_STOP2_mode(); // 0.5μA
wake_by_RTC(60s); // 定时唤醒
if(ADXL362_detect_motion()) { // 运动触发
read_sensors();
transmit_data();
}
}
}
数据打包策略：
原始数据：每秒1次，每次100字节 → 年耗电 35mAh
优化后：门限触发+压缩传输 → 年耗电 4.2mAh
外设时钟门控：
c__HAL_RCC_GPIOA_CLK_DISABLE(); // 禁用未用外设时钟
配置：
传感器：SHT40 + ADXL362
MCU：EFM32PG22
通信：LoRaWAN（每日发送1次）
功耗实测：
| 模式 | 电流 | 占比 |
|---|---|---|
| 深度睡眠 | 1.1μA | 98.7% |
| 传感器采集 | 12μA | 0.2% |
| LoRa传输 | 32mA | 1.1% |
| 平均电流 | 8.4μA | - |
续航计算：2×AA电池(3000mAh) / 8.4μA ≈ 40年 （实际受自放电限制约10年）
PCB漏电流控制：
使用Guard Ring隔离高压走线
选择FR4板材表面阻抗>10^12Ω
温度补偿：
电池容量随温度变化曲线：
复制-20℃: 50%容量 +25℃: 100% +60℃: 85%
OTA更新优化：
差分升级包（减少传输数据量）
双Bank设计（防止升级失败变砖）
功耗分析仪：
Nordic Power Profiler Kit II
Joulescope JS220
仿真软件：
STM32CubeMonitor-Power
EnergyTrace（TI CCS）
电池建模：
MATLAB Battery Equivalent Circuit
通过 器件选型×电源优化×固件策略 三重设计，可实现：
✅ CR2032电池10年续航
✅ AA电池20年以上寿命
✅ -40℃~85℃全温域可靠运行
