為IoT設備的能耗操碎心——論智能設備的系統級電源管理

  作者:Jaya Kathuria Bindra 時間:2020-01-16來源:電子產品世界

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

image.png

圖1 配有外設的PSoC

為了從系統級優化功耗,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都可以在不需要使用時選擇關閉。這一操作可通過使用“關閉”引腳或通過標準通信接口發送命令來完成。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被關閉時也是如此。不過,使用靈活的GPIO和內部邏輯對設計略加修改,可以解決這個問題。

image.png

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,除了關閉內部模塊外,這種方法還可以通過將Pin_0和Pin_3置于邏輯高阻抗狀態,避免電流流經橋式傳感器。

并非所有外設都能通過PSoC供電,有些外設可能完全沒有“關閉”引腳或“關閉”命令,它們會持續消耗電源電力。在大多數情況下,電源會采用電源管理IC(PMIC),向PSoC和外設提供穩壓電源。穩壓器本身在工作時也會耗電。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,應關閉穩壓器。系統隨后進入“備份”域,保持內部實時時鐘(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。

image.png

圖3 關閉外部穩壓器

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,它會在調節器和系統其余部分工作時完成充電。

圖片4.png

圖4 備份域的詳細組成

圖片5.png

圖5 控制系統級功耗的備份域

當整個系統需要進入可實現的最低功耗狀態時,系統可指示PMIC關閉,將PMIC、外部外設和內部外設(借助備份電源運行的外設除外)全部關閉。通過采用內部RTC告警事件或外部引腳輸入這兩個選項中的任意一項,就可以將系統從從該狀態下喚醒。使用備份域能顯著延長物聯網系統的電池使用壽命,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境中獲取光能、熱能、機械能等能量的過程。從系統級角度來看,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備而言,壓電電磁復合動能采集頗有吸引力,是因為它們能利用較高的電壓產生大量電能。在工業應用中,熱電發電機是利用熱能發電的最佳選擇。

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,才能通過各種能量來源為物聯網節點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。

創新電源管理技術解決方案能增強物聯網系統的性能與可靠性。我們將繼續探索更多的創新解決方案,從而使物聯網設備變得更加智能。

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

關鍵詞: 202002 IoT 能耗 系統級 電源管理

加入微信
獲取電子行業最新資訊
搜索微信公眾號:電子產品世界

或用微信掃描左側二維碼

相關文章


用戶評論

請文明上網,做現代文明人
驗證碼:
查看電腦版
97超碰中文字幕久久精品_美女国产诱a惑v在线观看_四虎免费在线观看_中文字幕亚洲第一页乱码