為IOT設備的能耗操碎心

Jaya Kathuria Bindra

摘要：探討包含外設和調節器在內的系統級功耗控制。

關鍵詞：IoT;能耗;系統級;電源管理

靈活的粒化（granular）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cypress公司的可編程片上系統（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。

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。

正如圖1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-O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。

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2）。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。

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。