物聯(lián)網(wǎng)世界中的可編程電源管理

進(jìn)一步加速采用有一些驅(qū)動(dòng)因素，例如通過(guò)使用新的“Matter”協(xié)議在不同設(shè)備和移動(dòng)應(yīng)用程序之間實(shí)現(xiàn)更好的互操作性，現(xiàn)在所有級(jí)別的制造商都支持這種協(xié)議。另一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素是能夠在有用的時(shí)間內(nèi)使用電池運(yùn)行 - 如果設(shè)備需要本地交流電源運(yùn)行或需要定期更換電池，物聯(lián)網(wǎng)的一些優(yōu)勢(shì)就會(huì)喪失，特別是在計(jì)算安裝和勞動(dòng)力成本的工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中。對(duì)于具有以太網(wǎng)連接的設(shè)備，以太網(wǎng)供電是一種解決方案，但隨著無(wú)線(xiàn)通信現(xiàn)在成為節(jié)省成本的標(biāo)準(zhǔn)，此選項(xiàng)已經(jīng)消退。需要對(duì)功耗進(jìn)行管理，以便安裝的電池將持續(xù)預(yù)期的設(shè)備使用壽命，十年是公認(rèn)的數(shù)字。為了說(shuō)明這一點(diǎn)，如果器件由典型容量為2Ah的單個(gè)鋰離子電池供電，則需要從12.43V電池中汲取小于3μA或6μW的平均值，使用壽命為<>年。

對(duì)于其他個(gè)人應(yīng)用，例如可穿戴設(shè)備，充電或更換電池可能不是這樣的強(qiáng)加，但由于尺寸限制，通常只能使用容量低的紐扣電池，因此，必須最小化功耗并最大化運(yùn)行時(shí)間以使設(shè)備具有吸引力。

功率降低方案

典型的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備包括處理器、傳感器接口、內(nèi)存和無(wú)線(xiàn)模塊。對(duì)于處理器，可以采用各種技術(shù)來(lái)降低功耗，其中之一是能夠最初配置組件以?xún)H激活特定應(yīng)用所需的最少功能數(shù)量，從而最大限度地減少活動(dòng)內(nèi)核門(mén)的數(shù)量。通常通過(guò)使用可配置的 CPU 硬件擴(kuò)展以及降低時(shí)鐘頻率來(lái)減少使用的能量。這可能會(huì)限制功能，因此動(dòng)態(tài) CPU 時(shí)鐘頻率更改是根據(jù)處理需求“動(dòng)態(tài)”實(shí)現(xiàn)的。此外，當(dāng)不需要處理時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)“空閑”或“睡眠”模式。“輕度睡眠”模式可能會(huì)暫停CPU和內(nèi)部時(shí)鐘，而“深度睡眠”可能會(huì)禁用除實(shí)時(shí)時(shí)鐘和電路之外的所有內(nèi)容，以響應(yīng)“喚醒”呼叫。

同樣，較低的CPU電源電壓可降低動(dòng)態(tài)和靜態(tài)泄漏損耗，但也會(huì)降低處理速度，因此使用應(yīng)用“動(dòng)態(tài)電壓縮放”的有源方案來(lái)根據(jù)所需的功能定制電壓。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的內(nèi)存消耗功率， 可以與無(wú)線(xiàn)功能使用的能量交換.隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）中“邊緣”計(jì)算的實(shí)施越來(lái)越多，其中數(shù)據(jù)的預(yù)處理和聚合在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上執(zhí)行，通常在“云”中進(jìn)行集中處理所需的發(fā)送/接收周期更少。由于收發(fā)器模塊通常是最耗電的元件，因此在本地處理的讀/寫(xiě)周期中，本地RAM中一點(diǎn)額外功率的開(kāi)銷(xiāo)是值得的。通過(guò)實(shí)施休眠模式并將電源電壓動(dòng)態(tài)調(diào)整到所需的最小值，可以再次將內(nèi)存功耗降至最低。

收發(fā)器模塊可以使用從3/4/5G到Wi-Fi、藍(lán)牙、Zigbee等多種協(xié)議。數(shù)據(jù)吞吐量通常與功耗進(jìn)行權(quán)衡， 1+ 公里范圍內(nèi)的 LoRA/LoRaWAN 和 NM-IoT 通常是最低的， 但數(shù)據(jù)速率小于 1 Mbps.例如，對(duì)于短距離，藍(lán)牙LE和Zigbee因其較低的功耗而受到青睞，例如Wi-Fi。圖 1 顯示了藍(lán)牙、藍(lán)牙 LE、Zigbee 和 Wi-Fi 模塊的一些比較數(shù)字，從 [2] 和 [3] 值獲取的數(shù)據(jù)取決于設(shè)備的確切配置，但給出了功耗差異的指示。

圖1：常用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的相對(duì)功耗

通常，建議將傳輸活動(dòng)限制為聚合數(shù)據(jù)并限制“推送”通知以降低功耗。例如，可以在檢測(cè)到更改時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，而不是連續(xù)發(fā)送，例如觸發(fā)安全攝像頭進(jìn)行記錄的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。

使降低功耗的所有機(jī)制復(fù)雜化的是所需的電源軌電壓數(shù)量，通常從CPU內(nèi)核的低于1V，I/O的1.8V，閃存的3V和收發(fā)器模塊的5V。

電源管理對(duì)于延長(zhǎng)電池壽命是必要的

為了在針對(duì)低功耗優(yōu)化的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)具有啟用、排序和動(dòng)態(tài)縮放功能的適當(dāng)電源軌生成，出現(xiàn)了一種新的組件類(lèi)別，即“PMIC”或電源管理IC。一個(gè)例子是來(lái)自Qorvo [81460]的ACT4（圖2）。

圖 2：針對(duì)低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備優(yōu)化的電源管理 IC，Qorvo 部分 ACT81460

Qorvo 器件包括四個(gè)集成功率 FET 的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器、三個(gè)低壓差穩(wěn)壓器 （LDO） 和三個(gè)獨(dú)立的負(fù)載開(kāi)關(guān)。其中兩個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器是降壓穩(wěn)壓器，一個(gè)是升壓/降壓-升壓穩(wěn)壓器，第四個(gè)是能夠提供高達(dá)20V的高壓升壓升壓穩(wěn)壓器。每個(gè)穩(wěn)壓器都可以通過(guò) I2C 接口配置為寬輸出電壓范圍。ACT81460的電源為4V - 5.5VDC，或者由2.7V - 4.5V的鋰離子電池供電。PMIC 使用有源電源路徑線(xiàn)性充電器 （APLC） 控制電池充電，該充電器可以使用電池溫度和電壓反饋提供高達(dá) 0.8A 的電流，以實(shí)現(xiàn)最佳充電曲線(xiàn)。涓流、預(yù)調(diào)節(jié)和快速充電模式還適用于不同的初始電池充電狀態(tài)。在禁用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的情況下，電池的電流消耗可低至 2.1μA，同時(shí)仍使能內(nèi)部基準(zhǔn)和監(jiān)視器。當(dāng)所有穩(wěn)壓器和負(fù)載開(kāi)關(guān)均使能但空載時(shí)，靜態(tài)電流為 6μA。該器件包括四個(gè)通用GPIO，具有高度可配置性，并通過(guò)其I2C接口支持動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)。ACT81460采用微型3.33 x 3.28 49球WLCSP封裝，適合最小的應(yīng)用，包括低功耗純電池物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)以及可在方便時(shí)連接到充電器的高功率便攜式設(shè)備。

對(duì)于更小但具有更高輸出電流額定值的封裝，Qorvo還提供其ACT88420器件（圖3）。

圖 3：Qorvo ACT88420 PMIC

該器件采用僅為 2.693mm x 2.693mm 的封裝，包括 4 個(gè)額定電流高達(dá) 0A 的降壓轉(zhuǎn)換器、1 個(gè)可配置為負(fù)載開(kāi)關(guān)的 LDO 和 10 個(gè)可配置 GPIO。在完全停機(jī)模式中，電源電流典型值為 470.2μA，在待機(jī)、睡眠或深度睡眠模式下典型值僅為 25μA。降壓轉(zhuǎn)換器需要外部電感器，但由于開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)81460.88420MHz，每個(gè)電感器非常小，每個(gè)2nH。與ACT<>一樣，ACT<>可通過(guò)其GPIO和I<>C接口進(jìn)行高度配置，并且還支持Qorvo“ActiveCiPSTM”加密狗，當(dāng)連接到設(shè)備評(píng)估板時(shí)，允許用戶(hù)通過(guò)直觀的GUI進(jìn)行配置和監(jiān)控，而無(wú)需任何特殊軟件或固件。為特定終端系統(tǒng)選擇默認(rèn)參數(shù)后，用戶(hù)可以將配置上傳到 Qorvo，然后由 Qorvo 運(yùn)送具有所需功能的預(yù)編程部件。該器件具有高輸出電流能力，適用于更高功率的物聯(lián)網(wǎng)組件，如固態(tài)驅(qū)動(dòng)器、FPGA、計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)和便攜式音頻/視頻。但是，憑借其超低待機(jī)功耗，它也適用于具有終身電池電量的低功耗產(chǎn)品。

結(jié)論

隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備已經(jīng)普及到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，它們的價(jià)值和有效性越來(lái)越多地取決于它們的電池使用壽命。嘗試使用分立式解決方案管理功耗不可避免地會(huì)導(dǎo)致駐壓損耗過(guò)高并占用大量電路板空間。然而，使用PMIC可以解決微功耗和尺寸問(wèn)題，適合最小的應(yīng)用。

審核編輯：郭婷