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如何大幅提高物联网设备的电池能效

2023-03-03 14:58:17 Suryash Rai,产品应用工程师,ADI公司 阅读:
本文探讨了如何使物联网(IoT)设备更加节能。在重点介绍毫微功耗运输模式和睡眠模式的关键作用之前,快速回顾了电池管理。 最后,提供了一种新的解决方案,与传统方法相比,它可以更好地优化电池管理的这两个方面,从而降低功耗水平和电路板空间。

在互联网的互联世界中,物联网(IoT)能够连接不同的传感节点并将数据传输到安全服务器,因而发挥着至关重要的作用。电源管理是提高物联网应用效率的重点领域之一。PNyednc

在大多数应用中,传感器节点(数据采集元件)放置于偏远区域,因此需要采用电池供电。电池的寿命取决于我们为传感器节点设计电源策略的效率。大多数时候,传感器节点处于睡眠模式,只有在必须采集数据时才会切换到活动模式。这些设备的占空比很低。为了尽可能延长电池寿命,我们需要改善物联网应用的睡眠电流。PNyednc

本文探讨了如何使物联网设备更加节能。在重点介绍纳安(nanopower)运输模式和睡眠模式的关键作用之前,快速回顾了电池管理。最后,提供了一种新的解决方案,与传统方法相比,它可以更好地优化电池管理的这两个方面,因此能够降低功耗水平和电路板空间。PNyednc

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物联网设备中电源管理的基础知识

在典型的物联网系统中(如1所示),无线传感器节点大多由电池供电,因而其自身也会受到电池寿命的限制。为了最大限度地延长传感器节点的使用寿命,电源管理至关重要。占空比(DC)概念是实现传感器节点节能的常见做法。由于偷听和闲听是传感器节点能量浪费的主要来源,我们可以使用三个不同的方面来评估无线传感器节点的功耗:PNyednc

  • 传感器
  • 微控制器(MCU)
  • 无线电操作

传感器负责采集温度、湿度等原始数据,并将其发送给MCU。MCU负责处理原始数据,并使用无线链路将此数据传输到云端或数据中心。然而,鉴于典型的传感器应用是在非常低的占空比(范围从0.01%到1%)下运行,并且大部分时间处于空闲状态,采用传感器节点睡眠电流超低的电源管理方案将有助于延长电池寿命。智能灌溉系统采用传感器节点测量土壤湿度并每小时仅收集一次数据,这就是此类应用的一个示例。PNyednc

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图1物联网系统的典型构建模块。PNyednc

运输模式和睡眠模式的关键作用是什么?

运输模式和睡眠模式是以电池供电的物联网设备中所使用的常用术语,也是物联网应用中电源管理的重要方面。运输模式是一种用于在产品运输阶段延长电池寿命的纳安状态。在运输模式下,电池与系统的其余部分在电气上断开连接,以尽可能减少产品闲置或未使用时的功耗。运输模式的释放可采用按钮来完成,进而启动设备的正常运行。PNyednc

一旦设备处于活动状态,就可以使用睡眠模式来延长电池寿命。在睡眠模式下,系统所有的外设要么关闭,要么以最低功率要求运行。物联网设备会定期唤醒,执行特定任务,然后返回睡眠模式。PNyednc

可通过禁用无线传感器节点的各种外设来实现不同的睡眠模式。例如,在调制解调器睡眠下,仅将通信模块禁用。在浅睡眠模式下,将包括通信模块、传感器模块和数字模块在内的大部分模块禁用;在深度睡眠模式下,则将无线传感器节点完全断电。PNyednc

在传感器节点中启用深度睡眠模式可大幅延长电池寿命,因此,优化深度睡眠电流是提高整体电池寿命的唯一途径。PNyednc

在物联网应用中启用深度睡眠模式的占空比方法

让物联网模块采用占空比工作,是启用深度睡眠模式的常用方法之一。当无线传感器节点处于深度睡眠状态时,大多数外设都将会关闭或处于关断模式,所消耗的电流仅有几纳安。实时时钟(RTC)等计时器件会在编程超时后唤醒物联网模块。在这种技术中,MCU会在系统处于深度睡眠模式时完全关闭。但是,在恢复之后,总是会涉及启动引导时间,因而就会增加不期望的延迟。考虑到这种权衡,所提出原则的影响取决于每个节点的特性和该应用的占空比。PNyednc

深度睡眠模式和运输模式的传统解决方案:使用RTC、负载开关和按钮控制器PNyednc

在传统的解决方案中,通常使用负载开关和RTC来打开或关闭无线传感器节点的电源(2)。在这种方法中,只有负载开关和RTC处于活动状态,因此可以将总静态电流降低到纳安级。可使用无线传感器节点内的MCU对睡眠时间进行编程。PNyednc

可以将外部按钮控制器连接到负载开关以启用运输模式功能。也可使用外部按钮退出运输模式,而使无线传感器节点进入正常操作。PNyednc

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图2:分立解决方案方框图。PNyednc

深度睡眠和运输模式的改进解决方案

MAX16163/MAX16164是ADI的纳安控制器,具有开关控制器和可编程睡眠时间(3)。这些器件集成了一个电源开关来选通输出,可提供高达200mA的负载电流。可使用MAX16162/MAX16163替代传统的负载开关、RTC和电池保鲜IC,以减少物料清单(BOM)的数量并降低成本。无线传感器节点单元通过MAX16162/MAX16163连接到电池。睡眠时间可以由MCU编程,也可以使用PB/SLP到地的外部电阻或使用MCU的I2C命令来设置。外部按钮用于退出器件的运输模式。PNyednc

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图3:使用MAX16163的集成解决方案。PNyednc

解决方案性能比较

两种方案的性能比较取决于物联网应用的占空比。在占空比较小的应用中,睡眠电流是衡量物联网设备运行时系统效率的指标,而关断电流则是衡量运输模式功耗的指标。为了演示该解决方案的模式,我们选择了业界最小静态电流的RTC MAX31342、电池保鲜密封MAX16150和微型负载开关TPS22916(14)。RTC使用I2C通信进行编程,用于设置物联网应用的睡眠时间,并且当定时器超时时,中断信号将会拉低MAX16150的PBIN引脚,从而将OUT设置为高电平并打开负载开关。在睡眠期间,只有TPS22916、MAX31342和MAX16150会消耗电源系统的电能。PNyednc

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表1:传统解决方案中不同模块的电流消耗。PNyednc

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图4:分立解决方案原理图。PNyednc

在实验中,我们评估了两种先进解决方案在固定占空比下的电池使用寿命,并比较了传统解决方案和使用MAX16163的改进解决方案的性能。PNyednc

电池寿命可以使用平均负载电流和电池容量来计算。PNyednc

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平均负载电流可以用系统的占空比来计算。PNyednc

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活动电流是指无线传感器节点处于活动状态时的系统电流。PNyednc

为了比较这两种解决方案,我们假设系统每两小时唤醒一次,执行特定任务,然后进入睡眠模式。系统活动电流为5mA。电池寿命取决于操作的占空比。5显示了具有不同占空比(从0.005%到0.015%变化)的两种方案的电池寿命图。PNyednc

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图5:无线传感器节点的电池寿命与占空比的关系。PNyednc

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表2:两种不同解决方案的比较。PNyednc

综上所述,本文探讨了在物联网设备爆炸式增长的世界中对电池电量管理的关键作用,表明了优化运输和睡眠模式是提高电池效率的最佳方法之一。ADI MAX16163解决方案有助于在设计中更精确地控制这些功能。与传统方法相比,它能够将电池寿命延长约20%(针对0.007%的典型占空比操作,如5所示),并将解决方案尺寸减小至60%。PNyednc

3月30日,AspenCore将在上海举办国际集成电路展览会暨研讨会(IIC Shanghai 2023),同期举办的“第25届高效电源管理及宽禁带半导体技术应用论坛”邀请到国内外多家优秀的电源管理芯片及方案提供商,欢迎感兴趣的朋友点击这里报名并到场交流。PNyednc

(原文标题:How to Greatly Improve Battery Power Efficiency for IoT Devices,由Franklin Zhao编译。)PNyednc

本文为《电子技术设计》2023年2月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里PNyednc

责编:Ricardo
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