為IoT設備的能耗操碎心——論智能設備的系統級電源管理

靈活的?；╣ranular）電源模式、能以低功耗模式工作且獨立于CPU的專(zhuān)用外設，以及可編程的模擬和數字邏輯，有助于優(yōu)化可編程片上系統（PSoC）的功耗。但在系統級還有更多外設連接到PSoC，這些外設不僅會(huì )消耗電力，而且還會(huì )導致物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)的電池耗竭。圖1所示為相關(guān)示例。

圖1 配有外設的PSoC

為了從系統級優(yōu)化功耗，必須對這些組件的功耗進(jìn)行控制。存儲器和傳感器等眾多外設都可以在不需要使用時(shí)選擇關(guān)閉。這一操作可通過(guò)使用“關(guān)閉”引腳或通過(guò)標準通信接口發(fā)送命令來(lái)完成。然而，在某些情況下這樣做并不可行。例如，直流信號鏈路中的橋式傳感器通過(guò)內部運算放大器接口連接到PSoC的ADC。這個(gè)橋式傳感器是4種阻抗的無(wú)源集總。因此，它始終從參考電源中獲取能量，即使與之連接的外設被關(guān)閉時(shí)也是如此。不過(guò)，使用靈活的GPIO和內部邏輯對設計略加修改，可以解決這個(gè)問(wèn)題。

圖2 使用GPIO為外部橋式傳感器供電

正如圖2所示，GPIO為橋式傳感器供電。此外，它還可提供到ADC的模擬連接，以便測量橋式傳感器的激勵電壓并進(jìn)行補償。當Pin_0處于邏輯高電平、Pin_3處于邏輯低電平時(shí)，就可以啟動(dòng)橋式傳感器。在無(wú)需使用橋式傳感器測量時(shí)，除了關(guān)閉內部模塊外，這種方法還可以通過(guò)將Pin_0和Pin_3置于邏輯高阻抗狀態(tài)，避免電流流經(jīng)橋式傳感器。

并非所有外設都能通過(guò)PSoC供電，有些外設可能完全沒(méi)有“關(guān)閉”引腳或“關(guān)閉”命令，它們會(huì )持續消耗電源電力。在大多數情況下，電源會(huì )采用電源管理IC（PMIC），向PSoC和外設提供穩壓電源。穩壓器本身在工作時(shí)也會(huì )耗電。除了在低功耗模式下的核心功耗，外設和穩壓器的待機耗電可決定系統能達到的最低功耗水平。為了獲得最高效率，應關(guān)閉穩壓器。系統隨后進(jìn)入“備份”域，保持內部實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）運行，直到按下按鍵等外部事件喚醒系統。圖3為功耗模式轉換圖。

圖3 關(guān)閉外部穩壓器

備份域增加一項“始終開(kāi)啟”功能，從而可使用由電池或超級電容器等備份電源供電的獨立電源域（參見(jiàn)圖4）。備份域內置帶有報警功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）。該時(shí)鐘由手表晶體振蕩器（WCO）和PMIC控制提供支持。備份域的電源在主電源和備份電源之間進(jìn)行自動(dòng)切換。備份電源通常連接到紐扣電池或超級電容器等獨立電池。在使用超級電容器的情況下，它會(huì )在調節器和系統其余部分工作時(shí)完成充電。

圖4 備份域的詳細組成

圖5 控制系統級功耗的備份域

當整個(gè)系統需要進(jìn)入可實(shí)現的最低功耗狀態(tài)時(shí)，系統可指示PMIC關(guān)閉，將PMIC、外部外設和內部外設（借助備份電源運行的外設除外）全部關(guān)閉。通過(guò)采用內部RTC告警事件或外部引腳輸入這兩個(gè)選項中的任意一項，就可以將系統從從該狀態(tài)下喚醒。使用備份域能顯著(zhù)延長(cháng)物聯(lián)網(wǎng)系統的電池使用壽命，同時(shí)還可以使用能量采集等其他供電選項。

能量采集是指從運行環(huán)境中獲取光能、熱能、機械能等能量的過(guò)程。從系統級角度來(lái)看，與時(shí)刻從電池獲得電力的方法相比，能量采集是一種革命性的替代方法。超低能耗系統僅需微弱電力就能運行，這時(shí)能量采集就有了用武之地。太陽(yáng)能模塊是最常見(jiàn)的能量采集解決方案，因為它易于獲得、易于使用且成本低廉。然而，對于運動(dòng)類(lèi)智能鞋等可穿戴設備而言，壓電電磁復合動(dòng)能采集頗有吸引力，是因為它們能利用較高的電壓產(chǎn)生大量電能。在工業(yè)應用中，熱電發(fā)電機是利用熱能發(fā)電的最佳選擇。

雖然能量采集提供的是“免費”能量，但是它需要精心設計的電子設備，才能通過(guò)各種能量來(lái)源為物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)提供穩定的電力供應。更重要的是，應該將漏電的可能性降到最低。采用備份域不僅能將系統的漏電風(fēng)險降至最低水平，還仍然能夠在定時(shí)事件和外部輸入時(shí)保持喚醒功能。

創(chuàng )新電源管理技術(shù)解決方案能增強物聯(lián)網(wǎng)系統的性能與可靠性。我們將繼續探索更多的創(chuàng )新解決方案，從而使物聯(lián)網(wǎng)設備變得更加智能。

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第02期第29頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。