延壽又瘦身 如何一招提高物聯網器件電池能效比

萬物互聯的世界中，物聯網發揮著至關重要的作用，它可以通過連接不同的傳感器節點將數據傳輸到安全服務器。電源管理是提高物聯網應用效率的重點環節之一。

在大多數應用中，傳感器節點（數據采集元件）多由電池供電且均放置在偏遠的區域。其中，電池壽命取決于傳感器節點設計中電源策略的效率。通常，傳感器節點處于休眠模式，只有進行數據采集時才會切換到激活模式。因此這些器件的占空比很低。為了盡可能延長電池壽命，就需要提升物聯網應用中休眠電流的性能。

物聯網器件中的電源管理

在典型的物聯網系統中（如圖1所示），無線傳感器節點大多由電池供電，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點使用時間方面起到了關鍵作用。在考慮如何節省傳感器節點電力時，通常會涉及占空比這個概念。

圖1 物聯網系統的典型構建模塊

由于串音和空閑偵聽是造成傳感器節點能源浪費的主要來源，可以從以下三個不同的方面來評估無線傳感器節點的耗電量：

■   傳感器

■   微控制器

■   無線電操作

傳感器采集溫度、濕度等原始數據，并將其發送給微控制器。微控制器負責處理原始數據，并通過無線鏈路將這些數據傳輸到云端或數據中心。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，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點將有助于延長電池壽命。

智能灌溉系統就屬于此類應用，系統里面的傳感器節點可測量土壤濕度且每小時僅收集一次數據。

運輸模式和休眠模式有什么關鍵作用？

運輸模式和休眠模式是電池供電物聯網器件中常用的專業術語，也是物聯網應用中電源管理需要考慮的關鍵因素。

運輸模式是一種nanopower狀態，可在產品運輸階段延長電池壽命。在運輸模式下，電池與系統其余部分斷開連接，以盡可能減少產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時，可使用休眠模式來延長電池壽命。在休眠模式下，系統所有外設要么關閉，要么以最低功率要求運行。物聯網器件會定期喚醒，執行特定任務后重回到休眠模式。

通過禁用無線傳感器節點的各種外設可以實現不同的休眠模式。例如，在調制解調器休眠模式中，只有通信模塊會被禁用。在輕度休眠模式中，大多數模塊被禁用（包括通信模塊、傳感器模塊和數字模塊等），在深度休眠模式中，無線傳感器節點電源完全關閉。

在傳感器節點中啟用深度休眠模式可以最大限度延長電池壽命；因此，優化深度休眠電流是提高電池整體壽命的唯一途徑。

在物聯網應用中啟用深度休眠模式的占空比方法

物聯網模塊中的占空比是啟用深度休眠模式的常用方法之一。當無線傳感器節點處于深度休眠狀態時，大多數外設都處于電源關閉或關機模式，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網模塊。

如果使用這種方法，微控制器會在系統處于深度休眠模式時完全關閉。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解決方案：使用RTC、負載開關和按鈕控制器

傳統解決方案通常使用負載開關和RTC來開/關無線傳感器節點的電源。使用這種方法時，只有負載開關和RTC處于激活狀態，從而將總靜態電流減少到納安級。

休眠時間可以通過無線傳感器節點內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/關控制器和可編程休眠時間特性。該器件集成一個電源開關來選通輸出，可提供高達200mA的負載電流。MAX16162/MAX16163可取代傳統負載開關、RTC和電池“保鮮(freshness)”IC，以減少物料清單(BOM)的數量并降低成本。無線傳感器節點單元通過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

解決方案性能比較

兩種方案的性能比較結果取決于物聯網應用的占空比。對于占空比小的應用，用休眠電流來衡量物聯網器件運行時的系統效率，用關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，ADI選擇了靜態電流最小的RTC MAX31342、電池“保鮮”密封MAX16150和小型負載開關TPS22916。RTC使用I2C通信進行編程，用于設置物聯網應用的休眠時間，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。在休眠期間，僅TPS22916、MAX31342和MAX16150會消耗電源系統的電力。

表1 傳統解決方案中不同模塊的電流消耗

圖4 分立式解決方案原理圖

在實驗中，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。

平均負載電流可以用系統的占空比來計算。

有效電流是指無線傳感器節點處于激活狀態時的系統電流。為比較這兩種解決方案，假設系統每兩小時喚醒一次，執行特定任務后進入休眠模式。系統有效電流為5mA。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 無線傳感器節點的電池壽命與占空比的關系

表2 兩種不同解決方案的比較

綜上所述，本文探討了在物聯網器件快速增長的環境下對電池電量管理的關鍵作用。它表明了優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方案的60%。

關于作者

Suryash Rai自2016年以來一直在ADI公司擔任應用工程師，負責支持保護IC產品組合。他擁有卡納塔克邦國家技術學院的通信工程碩士學位。Suryash目前居住在加州圣何塞，愛好烹飪、旅行和交友。