為IoT設(shè)備的能耗操碎心——論智能設(shè)備的系統(tǒng)級電源管理

靈活的粒化（granular）電源模式、能以低功耗模式工作且獨立于CPU的專用外設(shè)，以及可編程的模擬和數(shù)字邏輯，有助于優(yōu)化可編程片上系統(tǒng)（PSoC）的功耗。但在系統(tǒng)級還有更多外設(shè)連接到PSoC，這些外設(shè)不僅會消耗電力，而且還會導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的電池耗竭。圖1所示為相關(guān)示例。

圖1 配有外設(shè)的PSoC

為了從系統(tǒng)級優(yōu)化功耗，必須對這些組件的功耗進行控制。存儲器和傳感器等眾多外設(shè)都可以在不需要使用時選擇關(guān)閉。這一操作可通過使用“關(guān)閉”引腳或通過標(biāo)準(zhǔn)通信接口發(fā)送命令來完成。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內(nèi)部運算放大器接口連接到PSoC的ADC。這個橋式傳感器是4種阻抗的無源集總。因此，它始終從參考電源中獲取能量，即使與之連接的外設(shè)被關(guān)閉時也是如此。不過，使用靈活的GPIO和內(nèi)部邏輯對設(shè)計略加修改，可以解決這個問題。

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行補償。當(dāng)Pin_0處于邏輯高電平、Pin_3處于邏輯低電平時，就可以啟動橋式傳感器。在無需使用橋式傳感器測量時，除了關(guān)閉內(nèi)部模塊外，這種方法還可以通過將Pin_0和Pin_3置于邏輯高阻抗?fàn)顟B(tài)，避免電流流經(jīng)橋式傳感器。

并非所有外設(shè)都能通過PSoC供電，有些外設(shè)可能完全沒有“關(guān)閉”引腳或“關(guān)閉”命令，它們會持續(xù)消耗電源電力。在大多數(shù)情況下，電源會采用電源管理IC（PMIC），向PSoC和外設(shè)提供穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓器本身在工作時也會耗電。除了在低功耗模式下的核心功耗，外設(shè)和穩(wěn)壓器的待機耗電可決定系統(tǒng)能達到的最低功耗水平。為了獲得最高效率，應(yīng)關(guān)閉穩(wěn)壓器。系統(tǒng)隨后進入“備份”域，保持內(nèi)部實時時鐘（RTC）運行，直到按下按鍵等外部事件喚醒系統(tǒng)。圖3為功耗模式轉(zhuǎn)換圖。

圖3 關(guān)閉外部穩(wěn)壓器

備份域增加一項“始終開啟”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（參見圖4）。備份域內(nèi)置帶有報警功能的實時時鐘（RTC）。該時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行自動切換。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，它會在調(diào)節(jié)器和系統(tǒng)其余部分工作時完成充電。

圖4 備份域的詳細組成

圖5 控制系統(tǒng)級功耗的備份域

當(dāng)整個系統(tǒng)需要進入可實現(xiàn)的最低功耗狀態(tài)時，系統(tǒng)可指示PMIC關(guān)閉，將PMIC、外部外設(shè)和內(nèi)部外設(shè)（借助備份電源運行的外設(shè)除外）全部關(guān)閉。通過采用內(nèi)部RTC告警事件或外部引腳輸入這兩個選項中的任意一項，就可以將系統(tǒng)從從該狀態(tài)下喚醒。使用備份域能顯著延長物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的電池使用壽命，同時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、機械能等能量的過程。從系統(tǒng)級角度來看，與時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(tǒng)僅需微弱電力就能運行，這時能量采集就有了用武之地。太陽能模塊是最常見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，對于運動類智能鞋等可穿戴設(shè)備而言，壓電電磁復(fù)合動能采集頗有吸引力，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(yīng)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(shè)計的電子設(shè)備，才能通過各種能量來源為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)。更重要的是，應(yīng)該將漏電的可能性降到最低。采用備份域不僅能將系統(tǒng)的漏電風(fēng)險降至最低水平，還仍然能夠在定時事件和外部輸入時保持喚醒功能。

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

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