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，它可以通過連接不同的傳感器節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨踩掌鳌?a target="_blank">電源管理是提高物聯(lián)網(wǎng)應用效率的重點環(huán)節(jié)之一。

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

物聯(lián)網(wǎng)器件中電源管理的基礎知識

在典型的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中（如圖1所示），無線傳感器節(jié)點大多由電池供電，因此，其自身會受到電池壽命的限制。電源管理在延長傳感器節(jié)點使用時間方面起到了關(guān)鍵作用。在考慮如何節(jié)省傳感器節(jié)點電力時，通常會涉及占空比這個概念。由于串音和空閑偵聽是造成傳感器節(jié)點能源浪費的主要來源，我們可以從以下三個不同的方面來評估無線傳感器節(jié)點的耗電量：

傳感器

微控制器

無線電操作

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。微控制器負責處理原始數(shù)據(jù)，并通過無線鏈路將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫嘶驍?shù)據(jù)中心。然而，由于典型傳感器應用運行時的占空比非常低（從0.01%到1%不等），且大部分時間處于空閑狀態(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)點將有助于延長電池壽命。智能灌溉系統(tǒng)就屬于此類應用，系統(tǒng)里面的傳感器節(jié)點可測量土壤濕度且每小時僅收集一次數(shù)據(jù)。

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

運輸模式和休眠模式有什么關(guān)鍵作用？

運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，也是物聯(lián)網(wǎng)應用中電源管理需要考慮的關(guān)鍵因素。運輸模式是一種nanopower狀態(tài)，可在產(chǎn)品運輸階段延長電池壽命。在運輸模式下，電池與系統(tǒng)其余部分斷開連接，以盡可能減少產(chǎn)品閑置或不使用時的電力消耗。運輸模式可通過按鈕解除，以恢復器件的正常運行。

當器件處于激活狀態(tài)時，可使用休眠模式來延長電池壽命。在休眠模式下，系統(tǒng)所有外設要么關(guān)閉，要么以最低功率要求運行。物聯(lián)網(wǎng)器件會定期喚醒，執(zhí)行特定任務后重回到休眠模式。

通過禁用無線傳感器節(jié)點的各種外設可以實現(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，無線傳感器節(jié)點電源完全關(guān)閉。

在傳感器節(jié)點中啟用深度休眠模式可以最大限度延長電池壽命；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。當無線傳感器節(jié)點處于深度休眠狀態(tài)時，大多數(shù)外設都處于電源關(guān)閉或關(guān)機模式，此模式僅消耗少量納安級電流。實時時鐘(RTC)等計時器件會在編程設置的超時周期后喚醒物聯(lián)網(wǎng)模塊。如果使用這種方法，微控制器會在系統(tǒng)處于深度休眠模式時完全關(guān)閉。但是，在恢復之后，總會涉及啟動時間，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節(jié)點的特性和應用的占空比。

深度休眠模式和運輸模式的傳統(tǒng)解決方案：使用RTC、負載開關(guān)和按鈕控制器

傳統(tǒng)解決方案通常使用負載開關(guān)和RTC來開/關(guān)無線傳感器節(jié)點的電源。使用這種方法時，只有負載開關(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。休眠時間可以通過無線傳感器節(jié)點內(nèi)的微控制器進行編程設置。

外部按鈕控制器可以連接到負載開關(guān)以啟用運輸模式功能。外部按鈕用于退出運輸模式，使無線傳感器節(jié)點進入正常運行模式。

圖2. 分立式解決方案框圖

深度休眠和運輸模式改良方案

MAX16163/MAX16164是ADI公司的nanopower控制器，具有開/關(guān)控制器和可編程休眠時間特性。該器件集成一個電源開關(guān)來選通輸出，可提供高達200 mA的負載電流。MAX16162/MAX16163可取代傳統(tǒng)負載開關(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。無線傳感器節(jié)點單元通過MAX16162/MAX16163連接到電池。休眠時間可通過微控制器進行編程設置，也可使用PB/SLP與地之間的外部電阻或使用微控制器的I2C命令來設置。外部按鈕用于退出器件的運輸模式。

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)應用的占空比。對于占空比小的應用，用休眠電流來衡量物聯(lián)網(wǎng)器件運行時的系統(tǒng)效率，用關(guān)機電流來衡量運輸模式的耗電量。為了驗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和小型負載開關(guān)TPS22916。RTC使用I2C通信進行編程，用于設置物聯(lián)網(wǎng)應用的休眠時間，當定時器過期時，中斷信號會下拉MAX16150的PBIN引腳。MAX16150將OUT設置為高電平并打開負載開關(guān)。在休眠期間，僅TPS22916、MAX31342和MAX16150會消耗電源系統(tǒng)的電力。

在實驗中，我們評估了兩種先進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載電流和電池容量來計算。

有效電流是指無線傳感器節(jié)點處于激活狀態(tài)時的系統(tǒng)電流。為比較這兩種解決方案，我們假設系統(tǒng)每兩小時喚醒一次，執(zhí)行特定任務后進入休眠模式。系統(tǒng)有效電流為5 mA。電池壽命取決于運行的占空比。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. 無線傳感器節(jié)點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)器件快速增長的環(huán)境下對電池電量管理的關(guān)鍵作用。它表明了優(yōu)化運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計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了約20%（針對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