为IoT设备的能耗操碎心——论智能设备的系统级电源管理

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。但在系统级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。

图1 配有外设的PSoC

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。

图2 使用GPIO为外部桥式传感器供电

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。

图3 关闭外部稳压器

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。

图4 备份域的详细组成

图5 控制系统级功耗的备份域

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。