1. 课程导入与续航目标定义
在电池供电的无线传感终端里，"能跑多久"几乎决定了产品能否成立。Silicon Labs 的低功耗方案（EFR32 系列 SoC、EFP01 能量管理、Series 2 射频子系统）之所以被广泛用于传感终端，核心原因不是单点指标有多极端，而是它把 MCU、射频、外设、时钟与电源域组织成了一套可以按需开关、按需唤醒的功耗结构。要优化续航，第一步不是写代码，而是把"终端由哪些功耗单元组成、电流从哪里漏掉、目标如何量化"这三件事讲清楚。
典型架构：四个功耗域与一条唤醒链
一个典型的 Silicon Labs 低功耗传感终端，可以拆成四个功耗域：
- 感知域：传感器及其模拟前端，例如温湿度、加速度、气体或电流检测。它可能是 I²C/SPI 数字器件，也可能是需要激励电流的模拟桥路。
- 计算域：EFR32 的 Cortex-M33 内核、内存与外设总线。它决定"醒着处理多久"。
- 通信域：Sub-GHz 或 2.4 GHz 射频、PA、匹配网络与天线。它决定"每次发送花多少能量"。
- 电源与时钟域：DC-DC、LDO、EFP01、低频晶振（LFXO）、高频晶振（HFXO）与 RTC。它决定"睡着时还剩多少静态电流"。
这四个域不是并列关系，而是被一条唤醒链串起来：RTC 或外部中断唤醒内核 → 内核上电传感器并采集 → 处理与打包 → 启动射频发送 → 等待确认或重传 → 关闭外设、切回 EM2/EM4 睡眠。续航优化的本质，就是让这条链上每一段的"电流 × 时间"尽可能小，同时不牺牲数据完整性。
续航瓶颈从哪里来
很多终端"标称能跑五年"，实测却只有几个月，问题通常集中在四类瓶颈上。
第一类是睡眠电流被低估。EM2 下 EFR32 内核电流可低至微安级，但整机睡眠电流往往由外部器件决定：传感器未断电、上拉电阻持续灌流、LDO 静态电流偏大、未使用的 GPIO 悬空导致漏电、调试接口未关闭。一个 10 kΩ 上拉在 3.3 V 下就是 330 µA，足以让"五年"变成"几个月"。
第二类是唤醒时间被忽略。每次唤醒都要经历 HFXO 起振、DC-DC 稳定、传感器上电与转换、射频校准。这些时间虽然只有几百微秒到几毫秒，但乘以每天成千上万次唤醒，就变成可观的电荷消耗。例如每次唤醒多花 2 ms、电流 5 mA，每天 1000 次，就是 10 mC/天，约 2.8 µAh/天。
第三类是射频能量占比过高。发射电流可达数十毫安，若重传频繁、ACK 等待过长、发射功率过高，通信域会迅速吃掉大部分预算。链路预算与重传率必须和功耗一起设计。
第四类是占空比设计不合理。采样周期过短会让 T_active 频繁出现；周期过长又可能丢失事件。占空比不是越小越好，而是要与被测量的变化速率、上报时延要求匹配。
把续航目标写成可计算的指标
续航目标不能只写"尽量省电"，要落到平均电流与占空比上。定义如下：
- I_sleep：睡眠态整机电流，单位 µA。
- I_active：唤醒后采集、处理、发射期间的平均电流，单位 mA。
- T_active：单次唤醒的活动时间，单位 ms。
- T_period：唤醒周期，单位 s。
- D：占空比，D = T_active / T_period。
平均电流近似为 I_avg = D × I_active + (1 − D) × I_sleep。若电池容量为 C（mAh），则理论续航天数 ≈ C / I_avg / 24。
举一个教学示例（以下为合理假设的示例参数，非实测结果）：某温湿度终端使用 EFR32，睡眠电流 2 µA，每次唤醒活动 8 ms、活动平均电流 6 mA，每 60 s 上报一次。则 D = 0.008 / 60 ≈ 1.33×10⁻⁴，I_avg ≈ 1.33×10⁻⁴ × 6 mA + 2 µA ≈ 0.8 µA + 2 µA ≈ 2.8 µA。若用 1000 mAh 电池，理论续航 ≈ 1000 / 0.0028 / 24 ≈ 14880 天，显然这个数字被理想化，实际还要扣除自放电、温度影响与重传。但它说明了一个关键结论：当睡眠电流降到微安级后，平均电流主要由睡眠电流和活动电荷共同决定，二者必须同时优化。
反过来看，如果睡眠电流是 50 µA，同样条件下 I_avg ≈ 50.8 µA，续航骤降到约 820 天。可见睡眠电流是续航的"地板"，活动电荷是"台阶"。
设计目标如何拆解到各功耗域
把总目标拆成可执行的分项指标，才能指导后续选型与配置。一个可参考的拆解方式如下：
| 功耗域 | 关键指标 | 示例目标 | 主要手段 |
|---|---|---|---|
| 电源与时钟 | I_sleep | ≤ 3 µA | 关闭未用外设、断开上拉、选用低静态 LDO/DC-DC、EM2/EM4 切换 |
| 感知域 | 单次采样电荷 | ≤ 0.5 µC | 传感器间歇供电、降低采样率、缩短稳定时间 |
| 计算域 | T_active | ≤ 5 ms | DMA 搬运、减少浮点、提高主频缩短运行时间 |
| 通信域 | 单次发射电荷 | ≤ 30 µC | 降低发射功率、缩短前导、减少重传、批量上报 |
这些数字不是硬性标准，而是示例性的设计锚点。实际项目中应根据传感器特性、协议要求与电池容量重新标定。重要的是：每个域都要有可测量、可验证的指标，而不是笼统地说"低功耗"。
从目标到验证的闭环
定义完目标后，需要一条可验证的路径：先用 Energy Profiler 或电流探头测量整机一个完整周期的电流波形，按睡眠、唤醒、采集、处理、发射分段积分得到电荷量；再与目标表逐项对比，找出超标项；然后针对超标项做单点优化并复测。只有形成"测量—对比—优化—复测"的闭环，续航目标才不是纸面数字。
本节的核心结论可以概括为三句话：终端由感知、计算、通信、电源时钟四个功耗域组成，续航瓶颈通常来自睡眠漏电、唤醒开销、射频能量和占空比设计；续航目标必须量化为平均电流与占空比；优化顺序应先压睡眠电流这个"地板"，再压缩活动电荷这个"台阶"。