如何大幅提高物聯(lián)網(wǎng)器件的電池能效比

引言

在互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)世界中，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它可以通過(guò)連接不同的傳感器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨踩?wù)器。電源管理是提高物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用效率的重點(diǎn)環(huán)節(jié)之一。

在大多數(shù)應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)（數(shù)據(jù)采集元件）大多由電池供電且均放置在偏遠(yuǎn)的區(qū)域。電池壽命取決于傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中電源策略的效率。通常，傳感器節(jié)點(diǎn)處于休眠模式，只有進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)才會(huì)切換到激活模式。這些器件的占空比很低。為了盡可能延長(zhǎng)電池壽命，我們需要提升物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中休眠電流的性能。

物聯(lián)網(wǎng)器件中電源管理的基礎(chǔ)知識(shí)

在典型的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中（如圖1所示），無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)大多由電池供電，因此，其自身會(huì)受到電池壽命的限制。電源管理在延長(zhǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)使用時(shí)間方面起到了關(guān)鍵作用。在考慮如何節(jié)省傳感器節(jié)點(diǎn)電力時(shí)，通常會(huì)涉及占空比這個(gè)概念。由于串音和空閑偵聽(tīng)是造成傳感器節(jié)點(diǎn)能源浪費(fèi)的主要來(lái)源，我們可以從以下三個(gè)不同的方面來(lái)評(píng)估無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的耗電量：

傳感器

微控制器

無(wú)線電操作

傳感器采集溫度、濕度等原始數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送給微控制器。微控制器負(fù)責(zé)處理原始數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線鏈路將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫嘶驍?shù)據(jù)中心。然而，由于典型傳感器應(yīng)用運(yùn)行時(shí)的占空比非常低（從0.01%到1%不等），且大部分時(shí)間處于空閑狀態(tài)，因此，如果電源管理方案采用具有極低休眠電流的傳感器節(jié)點(diǎn)將有助于延長(zhǎng)電池壽命。智能灌溉系統(tǒng)就屬于此類應(yīng)用，系統(tǒng)里面的傳感器節(jié)點(diǎn)可測(cè)量土壤濕度且每小時(shí)僅收集一次數(shù)據(jù)。

圖1. 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的典型構(gòu)建模塊。

運(yùn)輸模式和休眠模式有什么關(guān)鍵作用？

運(yùn)輸模式和休眠模式是電池供電物聯(lián)網(wǎng)器件中常用的專業(yè)術(shù)語(yǔ)，也是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中電源管理需要考慮的關(guān)鍵因素。運(yùn)輸模式是一種nanopower狀態(tài)，可在產(chǎn)品運(yùn)輸階段延長(zhǎng)電池壽命。在運(yùn)輸模式下，電池與系統(tǒng)其余部分?jǐn)嚅_(kāi)連接，以盡可能減少產(chǎn)品閑置或不使用時(shí)的電力消耗。運(yùn)輸模式可通過(guò)按鈕解除，以恢復(fù)器件的正常運(yùn)行。

當(dāng)器件處于激活狀態(tài)時(shí)，可使用休眠模式來(lái)延長(zhǎng)電池壽命。在休眠模式下，系統(tǒng)所有外設(shè)要么關(guān)閉，要么以最低功率要求運(yùn)行。物聯(lián)網(wǎng)器件會(huì)定期喚醒，執(zhí)行特定任務(wù)后重回到休眠模式。

通過(guò)禁用無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的各種外設(shè)可以實(shí)現(xiàn)不同的休眠模式。例如，在調(diào)制解調(diào)器休眠模式中，只有通信模塊會(huì)被禁用。在輕度休眠模式中，大多數(shù)模塊被禁用（包括通信模塊、傳感器模塊和數(shù)字模塊等），在深度休眠模式中，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)電源完全關(guān)閉。

在傳感器節(jié)點(diǎn)中啟用深度休眠模式可以最大限度延長(zhǎng)電池壽命；因此，優(yōu)化深度休眠電流是提高電池整體壽命的唯一途徑。

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中啟用深度休眠模式的占空比方法

物聯(lián)網(wǎng)模塊中的占空比是啟用深度休眠模式的常用方法之一。當(dāng)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)處于深度休眠狀態(tài)時(shí)，大多數(shù)外設(shè)都處于電源關(guān)閉或關(guān)機(jī)模式，此模式僅消耗少量納安級(jí)電流。實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)等計(jì)時(shí)器件會(huì)在編程設(shè)置的超時(shí)周期后喚醒物聯(lián)網(wǎng)模塊。如果使用這種方法，微控制器會(huì)在系統(tǒng)處于深度休眠模式時(shí)完全關(guān)閉。但是，在恢復(fù)之后，總會(huì)涉及啟動(dòng)時(shí)間，這將增加不必要的延遲。鑒于這些利弊得失，所提出方法的效果取決于每個(gè)節(jié)點(diǎn)的特性和應(yīng)用的占空比。

深度休眠模式和運(yùn)輸模式的傳統(tǒng)解決方案：使用RTC、負(fù)載開(kāi)關(guān)和按鈕控制器

傳統(tǒng)解決方案通常使用負(fù)載開(kāi)關(guān)和RTC來(lái)開(kāi)/關(guān)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的電源。使用這種方法時(shí)，只有負(fù)載開(kāi)關(guān)和RTC處于激活狀態(tài)，從而將總靜態(tài)電流減少到納安級(jí)。休眠時(shí)間可以通過(guò)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)的微控制器進(jìn)行編程設(shè)置。

外部按鈕控制器可以連接到負(fù)載開(kāi)關(guān)以啟用運(yùn)輸模式功能。外部按鈕用于退出運(yùn)輸模式，使無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入正常運(yùn)行模式。

圖2. 分立式解決方案框圖

深度休眠和運(yùn)輸模式改良方案

MAX16163/MAX16164是ADI公司的nanopower控制器，具有開(kāi)/關(guān)控制器和可編程休眠時(shí)間特性。該器件集成一個(gè)電源開(kāi)關(guān)來(lái)選通輸出，可提供高達(dá)200 mA的負(fù)載電流。MAX16162/MAX16163可取代傳統(tǒng)負(fù)載開(kāi)關(guān)、RTC和電池"保鮮(freshness)"IC，以減少物料清單(BOM)的數(shù)量并降低成本。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)單元通過(guò)MAX16162/MAX16163連接到電池。休眠時(shí)間可通過(guò)微控制器進(jìn)行編程設(shè)置，也可使用PB/SLP與地之間的外部電阻或使用微控制器的I2C命令來(lái)設(shè)置。外部按鈕用于退出器件的運(yùn)輸模式。

圖3. 使用MAX16163的集成解決方案。

圖4. 分立式解決方案原理圖。

解決方案性能比較

兩種方案的性能比較結(jié)果取決于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的占空比。對(duì)于占空比小的應(yīng)用，用休眠電流來(lái)衡量物聯(lián)網(wǎng)器件運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)效率，用關(guān)機(jī)電流來(lái)衡量運(yùn)輸模式的耗電量。為了驗(yàn)證該解決方案的模式，我們選擇了靜態(tài)電流最小的RTC MAX31342、電池"保鮮"密封MAX16150和小型負(fù)載開(kāi)關(guān)TPS22916。RTC使用I2C通信進(jìn)行編程，用于設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的休眠時(shí)間，當(dāng)定時(shí)器過(guò)期時(shí)，中斷信號(hào)會(huì)下拉MAX16150的PBIN引腳。MAX16150將OUT設(shè)置為高電平并打開(kāi)負(fù)載開(kāi)關(guān)。在休眠期間，僅TPS22916、MAX31342和MAX16150會(huì)消耗電源系統(tǒng)的電力。

在實(shí)驗(yàn)中，我們?cè)u(píng)估了兩種先進(jìn)解決方案在固定占空比下的電池使用壽命，比較了傳統(tǒng)解決方案和使用MAX16163的改良方案的性能。

電池壽命可以用平均負(fù)載電流和電池容量來(lái)計(jì)算。

有效電流是指無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)處于激活狀態(tài)時(shí)的系統(tǒng)電流。為比較這兩種解決方案，我們假設(shè)系統(tǒng)每?jī)尚r(shí)喚醒一次，執(zhí)行特定任務(wù)后進(jìn)入休眠模式。系統(tǒng)有效電流為5 mA。電池壽命取決于運(yùn)行的占空比。圖5顯示了占空比不同的兩種方案的電池壽命圖，占空比從0.005%到0.015%不等。

圖5. 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的電池壽命與占空比的關(guān)系。

綜上所述，本文探討了在物聯(lián)網(wǎng)器件快速增長(zhǎng)的環(huán)境下對(duì)電池電量管理的關(guān)鍵作用。它表明了優(yōu)化運(yùn)輸和休眠模式是提高電池效率的最佳途徑之一。ADI公司的MAX16163解決方案有助于在設(shè)計(jì)中更加精確地控制這些功能。與傳統(tǒng)方法相比，該解決方案將電池壽命延長(zhǎng)了約20%（針對(duì)0.007%的典型占空比操作，如圖5所示），并將解決方案尺寸減小至傳統(tǒng)方案的60%。

審核編輯：郭婷