การแพร่หลายของอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่และอุปกรณ์ที่พึ่งพาพลังงาน อาทิเช่น เทคโนโลยี (IoT) เทคโนโลยีอุปกรณ์สำหรับการสวมใส่ และ เทคโนโลยีเครือข่ายเซ็นเซอร์ระยะไกล ได้มีการยกระดับ โดยยึดประสิทธิภาพการ ใช้พลังงานเป็นเกณฑ์หลักในการออกแบบ ซึ่งในแอปพลิเคชันเหล่านี้ อุปกรณ์ อิเล็กทรอนิกส์มักใช้เวลามากกว่า 99% อยู่ในสภาวะหยุดนิ่งของอายุการใช้งาน เพื่อรอการกระตุ้นจากภายนอก หรือ เหตุการณ์ตามเวลาที่กำหนด ดังนั้น การใช้ พลังงานโดยเฉลี่ยจึงไม่ได้ขึ้นอยู่กับกระแสไฟฟ้าสูงสุดในโหมดทำงาน แต่ขึ้นอยู่กับ กระแสไฟฟ้าที่ดึงออกมาในช่วงเวลาที่ไม่ได้ใช้งาน การเปลี่ยนแปลงกระบวน ทัศน์เหล่านี้จำเป็นต้องให้ความสำคัญอย่างพิถีพิถันกับไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU: Microcontrollers) ที่ใช้พลังงานต่ำมาก (ULP: Ultra-Low-Power) และการใช้ ประโยชน์อย่างชาญฉลาดจากโหมด deep sleep ที่ได้รับการออกแบบมาเพื่อลด การใช้พลังงานให้น้อยที่สุดในช่วงเวลาที่ไม่ได้ใช้งาน

คุณสมบัติทางสถาปัตยกรรมหลักของไมโครคอนโทรลเลอร์ ULP

การเลือก MCU ULP ที่เหมาะสมต้องวิเคราะห์มากกว่าแค่ค่า MHz/mA ในโหมดแอคทีฟ คุณสมบัติทางสถาปัตยกรรมที่สำคัญส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิ ภาพโหมด deep sleep ประการแรก คือ ความสามารถในการปิดและเปิดการทำงาน ของแกน CPU และสัญญาณนาฬิกาความเร็วสูง เนื่องจากส่วนประกอบเหล่านี้ก่อให้ เกิดภาระพลังงานแบบไดนามิก ประการที่สอง คือ การมีโดเมนพลังงานหลายโดเมน ที่ควบคุมได้อย่างอิสระทำให้ปิดอุปกรณ์ที่ต่อกันพ่วงได้ เช่น ตัวแปลงอนาล็อกเป็น ดิจิทัล (ADC) หรือ ตัวอินเทอร์เฟซการสื่อสารได้อย่างสมบูรณ์ ประการที่สาม คือ การมีหน่วยความจำเข้าถึงแบบสุ่มคงที่ (SRAM:  Static Random-Access Memory) ที่มีการรั่วไหลในการใช้พลังงานต่ำมาก เนื่องจากช่วยให้ MCU รักษา ข้อมูลสถานะไว้ได้ โดยไม่ต้องใช้พลังงานมากเกินไป สุดท้าย ตัวแปลง DC-DC แบบบัคในตัว สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพได้ดี โดยการลดแรงดันไฟฟ้าใน การทำงานภายในระหว่างสถานะพลังงานต่ำซึ่งแตกต่างจากตัวควบคุมเชิงเส้นแบบ ดั้งเดิม

ลำดับชั้นและลักษณะเฉพาะของโหมด Sleep

ไมโครคอนโทรลเลอร์ ULP สมัยใหม่มีโหมด Sleep หลากหลายระดับ ซึ่งเป็นการแลกเปลี่ยนระหว่างกันในการใช้พลังงาน เวลาในการปลุก และฟังก์ชัน การทำงานที่ยังคงอยู่ ถูกเรียกโดยทั่วไปว่า โหมด Idle, Sleep, Stop และ Standby (หรือ Deep Sleep) ในโหมด Idle ซีพียูจะหยุดทำงานขณะที่อุปกรณ์ต่อพ่วง ยังคงทำงานอยู่ ทำให้ปลุกได้เร็ว แต่ประหยัดพลังงานได้น้อย โหมด Deep Sleep หรือ Standby เป็นสถานะที่มีความสำคัญในการพิจารณามากที่สุด โดยโดเมนแรง ดันไฟฟ้าหลักจะถูกปิด ตัวกำเนิดสัญญาณความถี่สูงจะถูกปิดใช้งาน และมีเพียงวงจร พลังงานต่ำพิเศษที่จำเป็นเท่านั้นที่ยังคงทำงานอยู่ การใช้พลังงานในสถานะเหล่านี้ อาจมีตั้งแต่ไมโครแอมป์ไปจนถึงนาโนแอมป์ สิ่งสำคัญ คือ นักออกแบบต้อง ตรวจสอบเอกสารข้อมูลอย่างละเอียด เพื่อหาค่ากระแสไฟสูงสุดในโหมดนอนหลับ ภายใต้เงื่อนไขเฉพาะเช่น อุณหภูมิ ขนาด RAM ที่คงเหลืออยู่ 

เกณฑ์การคัดเลือกเชิงกลยุทธ์สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ ULP

กระบวนการคัดเลือกต้องสอดคล้องกับความสามารถของไมโครคอนโทรล เลอร์กับหน่วยปลุกในการทำงานเฉพาะแอปพลิเคชันและรอบการทำงานเป็นระยะ โดยมีข้อพิจารณาหลัก ดังนี้

• ระดับความลึกของโหมดพลังงานต่ำสุดและการใช้กระแสไฟที่เกี่ยวข้อง 
• ความพร้อมในการใช้งานและข้อกำหนดด้านพลังงานของหน่วยปลุกการ ทำงานที่ยืดหยุ่นเช่น การเปลี่ยนสถานะของขา GPIO, สัญญาณเตือน นาฬิกาเรียลไทม์ (RTC : Real-Time Clock) ตัวเปรียบเทียบแบบอนาล็อก (Analog Comparators)
• ความเร็วและต้นทุนพลังงานของการเปลี่ยนจากโหมดประหยัดพลังงานสู่ โหมดทำงาน
• ฟังก์ชันการทำงานของอุปกรณ์ต่อพ่วงแบบ "เปิดขณะพัก (sleep-on)" เช่น โหนดเซ็นเซอร์ที่ wake ทุกชั่วโมงจะได้รับประโยชน์จากไมโครคอน โทรลเลอร์ที่มี RTC ปิดการทำงาน โดยใช้กระแสไฟระดับนาโนแอมป์ ขณะที่อุปกรณ์ที่สั่งงานด้วยเสียงต้องการคุณสมบัติการปลุกแบบอนาล็อก ที่รวดเร็วและใช้พลังงานต่ำ

บทบาทสำคัญของนาฬิกาเรียลไทม์ (RTC)

RTC เป็นหัวใจสำคัญของระบบ ULP โดยเฉพาะโมดูล RTC ที่ใช้พลังงานต่ำ ซึ่งมักใช้คริสตัล 32.768 kHz เป็นตัวกำหนดจังหวะการทำงาน เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับ การรักษาเวลาในระหว่างการ Deep Sleep ทำให้สามารถปลุกอุปกรณ์ตามกำหนด เวลาผ่านการขัดจังหวะสัญญาณเตือน ทำให้ควบคุมรอบการทำงานของอุปกรณ์ ได้อย่างแม่นยำ นอกจากนี้ RTC สามารถจัดการฟังก์ชันพลังงานต่ำอื่นๆ เช่น การตรวจจับการเปลี่ยนแปลงเป็นระยะบนพิน GPIO ที่ได้รับการป้องกัน การเลือก MCU ที่มี RTC ในตัวที่มีความแม่นยำสูง และทำงานได้อย่างอิสระจากโดเมน พลังงานหลัก ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของการออกแบบที่เน้นอายุการใช้งานแบตเตอรี่ ที่ยาวนาน

การใช้งานระบบรีเฟล็กซ์อุปกรณ์ต่อพ่วงและการทำงานแบบอัตโนมัติ

ไมโครคอนโทรลเลอร์ ULP ขั้นสูงได้รวมระบบรีเฟล็กซ์อุปกรณ์ต่อพ่วง (PRS: Peripheral Reflex Systems) หรือ การเชื่อมต่ออุปกรณ์ต่อพ่วงแบบอัตโนมัติ ที่คล้ายกันไว้ด้วย ระบบเหล่านี้ช่วยให้อุปกรณ์ต่อพ่วงบางอย่างสามารถสื่อสาร และกระตุ้นซึ่งกันและกันได้ โดยไม่มีการแทรกแซงจาก CPU ตัวอย่างเช่น การกำหนดค่า ADC โดยใช้ตัวจับเวลา การเปรียบเทียบผลลัพธ์ผ่านตัวเปรียบเทียบ ในตัว และหลังจากนั้นจึงกระตุ้นการทำงานของ CPU หากตัวอย่างเกินเกณฑ์ ที่กำหนดไว้ รูปแบบ "การตัดสินใจก่อนการปลุก (Decision-Making Before Wake-Up)" นี้ช่วยป้องกันไม่ให้ CPU ที่ใช้พลังงานสูงตื่นขึ้นมาเพื่อข้อมูลที่ไม่สำคัญ หรือ ไม่ถูกต้อง จึงลดกระแสไฟฟ้าเฉลี่ยของระบบลงอย่างมาก

เทคนิคการเพิ่มประสิทธิภาพซอฟต์แวร์และเฟิร์มแวร์

การใช้โหมดประหยัดพลังงานขั้นสูงให้เกิดประโยชน์สูงสุดต้องใช้ทั้งศาสตร์ ด้านซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์ เฟิร์มแวร์ต้องได้รับการออกแบบ โดยคำนึงถึงการ ทำงานเป็นช่วงสั้นๆ ที่มีประสิทธิภาพ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการกำหนดค่าแหล่งที่มา ของการปลุกทั้งหมดอย่างพิถีพิถัน การลดเวลาการทำงาน โดยใช้การเข้าถึง หน่วยความจำโดยตรง (DMA : Direct Memory Access) เพื่อเคลื่อนย้ายข้อมูล และการตรวจสอบให้แน่ใจว่า พิน GPIO ที่ไม่ได้ใช้งานทั้งหมด ถูกตั้งค่าเป็นสถานะ ที่กำหนดไว้แล้ว เพื่อป้องกันการรั่วไหลของอินพุตแบบลอยตัว ซอฟต์แวร์ควร ปฏิบัติตามรูปแบบที่ชัดเจน โดยเริ่มต้นกำหนดค่าเหตุการณ์สำหรับการปลุก การเข้า สู่โหมดประหยัดพลังงานขั้นสูง การปลุก การใช้การประมวลผลให้น้อยที่สุด และการ กลับเข้าสู่โหมดประหยัดพลังงาน การหลีกเลี่ยงลูปการใช้งานที่ไม่จำเป็น และการ ใช้ประโยชน์จากการออกแบบที่ขับเคลื่อนด้วยการขัดจังหวะ(Interrupt-Driven Design)เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้

สรุป

ท้ายที่สุดแล้ว การพยายามในการใช้พลังงานให้ต่ำ เป็นความพยายามแบบ องค์รวม ซึ่งต้องอาศัยการเลือกไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU)สถาปัตยกรรม โหมดประหยัดพลังงานขั้นสูง (deep sleep) ที่มีประสิทธิภาพ และการใช้งาน เฟิร์มแวร์ และฮาร์ดแวร์อย่างเป็นระบบ ที่สามารถดึงเอาประโยชน์จากคุณสมบัติ เหล่านี้ได้อย่างเต็มที่ ด้วยการให้ความสำคัญกับกระแสไฟในโหมดประหยัด พลังงานขั้นสูง การปลุกอัจฉริยะ และอุปกรณ์ต่อพ่วงแบบอัตโนมัติ นักออกแบบ สามารถสร้างอุปกรณ์ที่สามารถทำงานได้นานหลายปี ด้วยแบตเตอรี่ขนาดเล็ก หรือ พลังงานที่สร้างขึ้นมาได้ เพื่อให้สามารถปลดล็อกศักยภาพได้อย่างเต็มรูปแบบ ของการใช้งาน IoTและเทคโนโลยีอื่นๆได้ต่อไป