讓IoT傳感器節(jié)點更省電：一種新方案，令電池壽命延長20%！

作者：Alan Yang來源：得捷電子DigiKey

在典型的IoT物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點大部分保持在睡眠模式或船舶模式，只有在需要數(shù)據(jù)采集時才會切換到活動模式。為了更好地節(jié)能，我們需要改進物聯(lián)網(wǎng)睡眠模式或船舶模式下的電流，從而最大限度地延長電池壽命。

圖1：物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的典型拓撲圖

本文將主要對比在船舶模式或睡眠模式下，傳統(tǒng)解決方案（使用負載開關(guān)、RTC和外部按鈕控制器）與改進方案 （使用集成解決方案），看看它們誰更省電。

船舶模式與睡眠模式

大多數(shù)情況下，傳感器節(jié)點保持在睡眠模式或者船舶模式。我們先來了解一下這兩種模式：

船舶模式，可延長產(chǎn)品裝運階段的電池壽命。在船舶模式下，電池與系統(tǒng)其余部分斷開電氣連接，以在產(chǎn)品閑置或未使用時將功耗降至最低。

在睡眠模式，系統(tǒng)的所有外圍設(shè)備要么關(guān)閉，要么以最低功率要求運行。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備定期醒來，執(zhí)行特定任務(wù)，然后返回睡眠模式。

通過禁用無線傳感器節(jié)點的各種外圍設(shè)備，可以實現(xiàn)不同的睡眠模式。例如，在調(diào)制解調(diào)器睡眠中，僅禁用通信塊。在淺睡眠模式下，包括通信塊、傳感器塊和數(shù)字塊在內(nèi)的大多數(shù)塊都被禁用；而在深睡眠模式中，無線傳感器節(jié)點完全斷電。

在傳感器節(jié)點中啟用深度睡眠模式可以最大化電池壽命；因此，優(yōu)化深度休眠電流是提高整體電池壽命的唯一方法。

傳統(tǒng)節(jié)能解決方案：使用RTC、負載開關(guān)和外部按鈕控制器

以下是一個示例，其使用傳統(tǒng)解決方案來實現(xiàn)傳感器節(jié)點的節(jié)能。

圖2：傳統(tǒng)解決方案框圖

傳統(tǒng)解決方案中，負載開關(guān)和RTC用于打開/關(guān)閉無線傳感器節(jié)點。在這種方法中，只有負載開關(guān)和RTC（實時時鐘芯片）同時作用，才能使無線節(jié)點處于活動狀態(tài)，從而將總靜態(tài)電流降低到毫安。這里的睡眠時間可以通過無線傳感器節(jié)點內(nèi)的MCU編程。

外部按鈕控制器可以連接到負載開關(guān)，以啟用船舶模式功能。外部按鈕將退出船舶模式并進入無線傳感器節(jié)點正常操作模式。

小貼士：外部按鈕控制器

外部按鈕控制器具有電池“保鮮密封（Battery Freshness Seal）”功能，它是一種微處理器監(jiān)控電路的功能，外部按鈕控制器在VCC首次上電以前斷開備份電池與任何下游電路的連接。這能保證備份電池在電路板首次上電使用以前不會放電，因此可延長電池壽命。

相關(guān)產(chǎn)品：ADI的 MAX16150

資料來源：ADI電子工程術(shù)語定義：電池“保鮮密封”

圖 3 ：MAX16150方框圖

改進的解決方案

下個示例中，使用了基于ADI MAX16163/ MAX16164 的改進解決方案，該方案取代了傳統(tǒng)解決方案的負載開關(guān)、RTC和外部按鈕控制器。

圖4：使用MAX16163的改進解決方案

MAX16163 / MAX16164是模擬設(shè)備的納米功率控制器，具有開/關(guān)控制器和可編程睡眠時間功能。這些器件改進了一個電源開關(guān)，用于對輸出進行選通，提供可達200mA的負載電流，以簡化BOM并降低成本。

無線傳感器節(jié)點單元通過MAX16162 / MAX16163連接到電池。睡眠時間可由MCU編程，也可使用PB/SLP接地的外部電阻器或MCU的I2C命令設(shè)置外部只加一個按鈕用于退出設(shè)備的船舶模式。

兩種解決方案性能比較

兩種方案的性能比較取決于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的占空比。在占空比較小的應(yīng)用中，睡眠電流是衡量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備運行時系統(tǒng)效率的指標，關(guān)機電流是衡量船舶模式功耗的指標。為了演示解決方案的模式，我們選擇了具有極小靜態(tài)電流的RTC MAX31342、外部按鈕控制器MAX16150和微型負載開關(guān)TPS22916。

RTC使用I2C通信編程，設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序的睡眠時間，當(dāng)定時器到期時，中斷信號下拉MAX1615的PBIN引腳，其將輸出設(shè)置為高并接通負載開關(guān)。在睡眠期間，只有TPS22916、MAX31342和MAX16150消耗電力系統(tǒng)電源。

表 1：傳統(tǒng)解決方案不同功能模塊的電流消耗

圖5：傳統(tǒng)解決方案的示意圖

在實驗中，我們評估了兩種最新技術(shù)在固定占空比下的壽命，比較了傳統(tǒng)解決方案和使用MAX16163的改進解決方案的性能。

可以使用平均負載電流和電池容量來計算電池的壽命。

可以使用系統(tǒng)的占空比來計算平均負載電流。

平均負載電流=工作電流 ╳ D+睡眠電流 ╳ (1-D)

為了比較這兩種解決方案，假設(shè)系統(tǒng)每兩小時醒來一次，執(zhí)行特定任務(wù)，然后進入睡眠模式。系統(tǒng)激活電流為5mA。電池壽命取決于操作的占空比。下圖顯示了具有不同占空比的兩種方案的電池壽命曲線圖，從0.005%到0.015%不等。

圖6：無線傳感器節(jié)點的電池壽命與占空比

表2：兩種不同解決方案的比較

ADI的MAX16163解決方案實現(xiàn)了對這些功能進行更精確控制的設(shè)計。與傳統(tǒng)方法相比，它將電池壽命延長了約20%（對于典型的0.007%占空比操作，如圖6所示），并將解決方案大小減少到60%。

小貼士：Digi-Key電池續(xù)航時間計算器

這款Digi-Key在線計算小工具，根據(jù)電池的標稱容量和負載所消耗的平均電流來估算電池續(xù)航時間。

電池續(xù)航時間 = 電池容量 (mAh) / 負載電流(mA)

在以下表格中輸入電池容量與設(shè)備功耗，即可得到電池巡航時間。

本文小結(jié)

在大多數(shù)應(yīng)用中，電池的壽命取決于我們?yōu)閭鞲衅鞴?jié)點設(shè)計功率策略的效率。這表明優(yōu)化船舶模式和睡眠模式是提高電池效率的最佳方法之一。

I審核編輯 黃宇