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-为IoT设备的能耗操碎心——论智能设备的系统级电源管理

发布时间:2021-09-22 03:52:29
来源:bob综合体育下载

  灵活的粒化(granular)电源模式、能以低功耗模式工作且独立于CPU的专用外设,以及可编程的模拟和数字逻辑,有助于优化可编程片上系统(PSoC)的功耗。但在还有更多外设连接到PSoC,这些外设不仅会消耗电力,而且还会导致物联网节点的电池耗竭。图1所示为相关示例。

  为了从系统级优化功耗,必须对这些组件的功耗进行控制。存储器和传感器等众多外设都可以在不需要使用时选择关闭。这一操作可通过使用“关闭”引脚或通过标准通信接口发送命令来完成。然而,在某些情况下这样做并不可行。例如,直流信号链路中的桥式传感器通过内部运算放大器接口连接到PSoC的ADC。这个桥式传感器是4种阻抗的无源集总。因此,它始终从参考电源中获取能量,即使与之连接的外设被关闭时也是如此。不过,使用灵活的GPIO和内部逻辑对设计略加修改,可以解决这个问题。

  正如图2所示,GPIO为桥式传感器供电。此外,它还可提供到ADC的模拟连接,以便测量桥式传感器的激励电压并进行补偿。当Pin_0处于逻辑高电平、Pin_3处于逻辑低电平时,就可以启动桥式传感器。在无需使用桥式传感器测量时,除了关闭内部模块外,这种方法还可以通过将Pin_0和Pin_3置于逻辑高阻抗状态,避免电流流经桥式传感器。

  并非所有外设都能通过PSoC供电,有些外设可能完全没有“关闭”引脚或“关闭”命令,它们会持续消耗电源电力。在大多数情况下,电源会采用电源管理IC(PMIC),向PSoC和外设提供稳压电源。稳压器本身在工作时也会耗电。除了在低功耗模式下的核心功耗,外设和稳压器的待机耗电可决定系统能达到的最低功耗水平。为了获得最高效率,应关闭稳压器。系统随后进入“备份”域,保持内部实时时钟(RTC)运行,直到按下按键等外部事件唤醒系统。图3为功耗模式转换图。

  备份域增加一项“始终开启”功能,从而可使用由电池或超级电容器等备份电源供电的独立电源域(参见图4)。备份域内置带有报警功能的实时时钟(RTC)。该时钟由手表晶体振荡器(WCO)和PMIC控制提供支持。备份域的电源在主电源和备份电源之间进行自动切换。备份电源通常连接到纽扣电池或超级电容器等独立电池。在使用超级电容器的情况下,它会在调节器和系统其余部分工作时完成充电。

  当整个系统需要进入可实现的最低功耗状态时,系统可指示PMIC关闭,将PMIC、外部外设和内部外设(借助备份电源运行的外设除外)全部关闭。通过采用内部RTC告警事件或外部引脚输入这两个选项中的任意一项,就可以将系统从从该状态下唤醒。使用备份域能显著延长物联网系统的电池使用寿命,同时还可以使用能量采集等其他供电选项。

  能量采集是指从运行环境中获取光能、热能、机械能等能量的过程。从系统级角度来看,与时刻从电池获得电力的方法相比,能量采集是一种革命性的替代方法。超低能耗系统仅需微弱电力就能运行,这时能量采集就有了用武之地。太阳能模块是最常见的能量采集解决方案,因为它易于获得、易于使用且成本低廉。然而,对于运动类智能鞋等可穿戴设备而言,压电电磁复合动能采集颇有吸引力,是因为它们能利用较高的电压产生大量电能。在工业应用中,热电发电机是利用热能发电的最佳选择。

  虽然能量采集提供的是“免费”能量,但是它需要精心设计的电子设备,才能通过各种能量来源为物联网节点提供稳定的电力供应。更重要的是,应该将漏电的可能性降到最低。采用备份域不仅能将系统的漏电风险降至最低水平,还仍然能够在定时事件和外部输入时保持唤醒功能。

  创新电源管理技术解决方案能增强物联网系统的性能与可靠性。我们将继续探索更多的创新解决方案,从而使物联网设备变得更加智能。

  本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第02期第29页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。

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