TurMass™ 是上海道生物联技术有限公司自主研发的新一代窄带物联网/LPWAN（低功耗广域网）技术，上期文章给大家介绍了 TurMass™ “六边形战士”修炼技术之一的组网灵活能力，本期是六边形系列的最后一篇文章啦，将和大家谈谈 TurMass™的低功耗优势，以及是如何做到低功耗的。

LPWAN 终端芯片的低功耗设计是一项复杂的系统工程，不仅限于芯片设计工艺、电源管理，而且与无线传输方式、协议设计、软件调度等都紧密相关。

芯片的功耗主要由静态功耗和动态功耗两部分组成，静态功耗是芯片处于休眠或待机阶段的功耗，动态功耗可以简单理解成芯片运行阶段的功耗。如何降低芯片的静态与动态功耗是低功耗的关键，也是芯片低功耗设计面临的重要挑战。

1. 低功耗工艺

芯片的静态功耗，主要指漏电流功耗（Leakage Power），下图是一个简单 PMOS 漏电流示意图，虽然每一个 MOS 管的漏电流很小，但随着芯片规模的成倍增长，导致整体漏电流变得越来越大，严重影响静态功耗。

TK8620 在设计之初，就将严格控制和降低静态功耗作为重要设计目标之一。TK8620 选用 ULP（Ultra Low Power，极低功耗）的标准工艺库，从根本上降低每一个 MOS 管的漏电流。

2. 灵活电源管理

TK8620 将芯片内部根据功能要求的不同，划分成多个不同的电源管理域，主要包括高功耗电源域、AO 电源域（Always-On 区域）、动态电源域。

高功耗电源域主要包括射频收发器和基带处理部分，这部分区域的主要特点是功耗高、运行时间短。

AO 电源域是 TK8620 休眠控制的核心部分，它的特点是不间断运行，是芯片休眠功耗的主要因素。动态电压域主要包括 TK8620 内部的 MCU 和 Flash，这部分的特点是不同速率模式下对于处理能力的要求不尽相同。

根据上述不同电源域的特点，TK8620 采用不同的电源管理措施来降低功耗。

l 针对高功耗电源域，采用独立的电源门控，可以快速关闭和启动该区域；

l 对于 AO 电源域，采用 0.9 V 低压供电，进一步降低休眠状态下的功耗；

l 对于动态电压域支持电压的动态调整，可根据工作主频的要求，在 0.9 ~ 1.2 V 之间调整供电电压。

3. 高效调制和编码方式

TK8620 采用差分相移频移键控（Differential Phase Frequency Shift Keying，DPFSK）调制技术，相比 LoRa 具有更加高效的调制效率和频谱利用率。在信道编码上，TK8620 采用咬尾方式，可有效减少冗余和不必要的信息，使得传输数据更为紧凑。结合自有的mMIMO技术，可以使TK8620在相同灵敏度下，具有平均6倍于LoRa的传输速率，因此在传输相同数据和链路预算要求下，传输耗时只有LoRa的1/6，大幅降低无线收发时的功耗。

4. 无线唤醒

TK8620也同样支持无线唤醒功能。它可以定期醒来，通过一个固定的4 ms左右的接收窗口，即可快速的检测是否有特定的唤醒信号。如果没有检测到唤醒信号，则迅速重新进入休眠状态，等待下一次定时周期的到来；如果检测到唤醒信号，则会判断唤醒携带的唤醒信息，是否与自身唤醒ID相符，如果相符则会启动接收功能，等待后续数据包的接收。通过唤醒信号携带的信息，可以实现对终端的广播、组播和单播的不同唤醒方式。这种特有的无线唤醒方式，避免了广播式唤醒对于所有终端功耗的无谓消耗，从而实现对终端休眠功耗的进一步降低。

5. 快速启动

LPWAN 的终端设备，因为电池供电和低功耗的要求，通常会较频繁在工作状态与休眠状态之间切换，由于频繁启动所消耗的这部分功耗，经常容易被忽视。

以周期检测无线唤醒这个功能为例，常规芯片从电源上电、时钟 PLL 锁定、MCU 加载指令到完成收发器初始化，所需时间会达到数毫秒。而 TK8620 用于检测无线唤醒信号的开窗和检测时间仅为 4 ms 左右。

TK8620 芯片内部针对性地设计了电源和时钟的快速启动模式，并且支持从 flash 直接启动运行，大幅降低了芯片的启动时间，缩减到数百 us，这部分功耗下降 90% 以上。 

6. 简化协议调度

为降低用户之间因为并发而造成的冲突，通常的做法是采用 LBT（Listen before Talk）侦听机制和回退避让机制，虽然 LBT 协议可以降低碰撞的发生，但在实施过程中会引入一些协议开销，例如侦听开销、延时开销、重传开销等，会产生额外功耗。

采用大规模多天线免许可随机接入（mGFRA）技术的 TurMass™ 系统，具有高并发能力。TurMass™ 系统下的终端芯片，可以大幅简化发送数据前的协议开销。TurMass™ 终端开机并完成与多天线网关之间的同步后，可以立即发送数据。

综上所述，降低 TurMass™ 无线终端芯片的静态与动态功耗是一项复杂而重要的挑战。除了在芯片设计工艺和电源管理方面下足功夫外，还需要充分考虑高效的调制技术和编码方式、协议设计和软件等因素。只有综合考虑这些因素并进行有效优化，才能实现真正意义上的低功耗设计。 

随着物联网技术的发展和应用场景的增多，LPWAN 终端芯片低功耗设计的需求将变得更加迫切。因此，在不断探索创新解决方案的同时，各领域专家应加强合作与交流，共同推动 LPWAN 终端芯片低功耗设计技术的发展与应用。只有如此，才能满足日益增长的物联网市场需求，并为智慧城市、智慧农业、工业物联网等领域提供可靠、高效、节能的低功耗物联网解决方案。