電池壽命是物聯(lián)網(wǎng)的核心挑戰(zhàn)之一。它幾乎依賴于設(shè)備的每個(gè)規(guī)格（硬件和固件體系結(jié)構(gòu)，大小，環(huán)境等）。這就是為什么必須在設(shè)計(jì)周期的早期就考慮功耗的原因。

首先，對(duì)于工程師而言，在定義其電池壽命目標(biāo)時(shí)準(zhǔn)確了解該設(shè)備的用例至關(guān)重要。否則，它們可能無(wú)法滿足市場(chǎng)期望。然后，他們可以考慮幾種技術(shù)來(lái)優(yōu)化其功耗。工程師需要遵循三個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選擇最合適的解決方案：性能增益，成本和外形尺寸。Wisebatt的首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Wilfried Dron通過(guò)一些最常見(jiàn)的電源管理策略說(shuō)明了這些標(biāo)準(zhǔn)。

為了準(zhǔn)確比較這些技術(shù)，將它們實(shí)施在基本的IOT設(shè)備上，該設(shè)備由微控制器，傳感器，無(wú)線電，線性穩(wěn)壓器和電池組成。該設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間為1h30。一千個(gè)單位的成本約為8美元。下圖中的示意圖是使用仿真工具Wisebatt設(shè)計(jì)的。

圖1：Wisebatt原理圖

表現(xiàn)

促使任何設(shè)計(jì)變更的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是優(yōu)化增益：每種策略可以實(shí)現(xiàn)多少額外的電池壽命？一些簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)調(diào)整可以提供很好的結(jié)果。首先應(yīng)關(guān)閉未使用的外圍設(shè)備電源，以最大程度地降低功耗和泄漏。實(shí)際上，少量的節(jié)省就可以將電池壽命延長(zhǎng)至2.5倍。

降壓穩(wěn)壓??器的使用可以導(dǎo)致類似的電池壽命改善。但是，降壓穩(wěn)壓器可能無(wú)法適應(yīng)所有用例，因?yàn)樗鼈兊拈_(kāi)關(guān)頻率可能會(huì)在電源上引入很多噪聲。

圖2：降壓穩(wěn)壓器

在對(duì)噪聲敏感的組件（例如傳感器或無(wú)線電）中添加另一個(gè)LDO穩(wěn)壓器可以解決此問(wèn)題。當(dāng)無(wú)法使用降壓穩(wěn)壓器時(shí)，分開(kāi)電源域有助于平衡散熱和磨損水平。與單個(gè)電源域相比，可以預(yù)期達(dá)到初始電池壽命的1.5倍。

圖3：LDO穩(wěn)壓器

最后，一種簡(jiǎn)單的策略是使用負(fù)載開(kāi)關(guān)來(lái)關(guān)閉系統(tǒng)中所有未使用的組件。至少可以增加+ 10％的電池壽命（取決于設(shè)備的應(yīng)用和關(guān)閉的組件）。

圖4：模擬

通過(guò)這些策略，可以顯著降低功耗。但是，如果這還不夠的話，應(yīng)該考慮使用更大的電池。僅當(dāng)沒(méi)有其他選擇可能時(shí)才應(yīng)做出此選擇，因?yàn)檫@可能意味著產(chǎn)品特性的重大變化。

成本

具體電源管理策略的選擇還取決于其對(duì)設(shè)備最終價(jià)格的影響。實(shí)際上，設(shè)計(jì)變更通常意味著額外的成本。例如，包含降壓穩(wěn)壓器的高效解決方案在某些情況下可能會(huì)因?yàn)槠湎鄬?duì)較高的價(jià)格而被忽略。

表1：降壓穩(wěn)壓器的成本

相反，關(guān)閉每個(gè)未使用的外圍設(shè)備電源的簡(jiǎn)單事實(shí)不僅提供了出色的結(jié)果，而且?guī)缀鯇?duì)最終預(yù)算沒(méi)有任何影響。

在這里，使用附加的LDO被證明是經(jīng)濟(jì)上可行的選擇。雖然功耗的改善可能不那么顯著，但這是一種令人滿意的低成本策略。

表2：LDO的成本

最后，負(fù)載切換不僅易于實(shí)現(xiàn)，而且價(jià)格合理。盡管電池續(xù)航時(shí)間比其他策略要短，但是對(duì)于大多數(shù)高端用例來(lái)說(shuō)，這是必不可少的。

表3：其他組件的成本

顯然，較大的電池選項(xiàng)將排在該列表的底部，因?yàn)檫@將是最昂貴的選擇。

構(gòu)成因素

影響電源管理技術(shù)選擇的最后一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是其外形尺寸。這將對(duì)決策過(guò)程產(chǎn)生或多或少的重大影響。例如，它取決于可用的工程資源，項(xiàng)目的進(jìn)度，設(shè)備的尺寸和重量限制等。

再說(shuō)一次，關(guān)閉外圍設(shè)備電源將顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)。這種簡(jiǎn)單的技術(shù)可能需要重寫(xiě)一些現(xiàn)有的軟件和驅(qū)動(dòng)程序，但不需要任何硬件修改。如果需要添加負(fù)載開(kāi)關(guān)，則占用空間非常小，任務(wù)非常簡(jiǎn)單，如下圖所示。

圖5：Vishay的SPI32431負(fù)載開(kāi)關(guān)的尺寸和布局

相反，選擇更大的電池將增加設(shè)備的外形尺寸和占地面積，并且很有可能需要重新設(shè)計(jì)機(jī)械外殼。但是，如果在設(shè)計(jì)周期的早期階段進(jìn)行此修改，則影響可能很小。

某些解決方案需要添加無(wú)源器件，這對(duì)于降壓穩(wěn)壓器（六個(gè)附加無(wú)源器件）或LDO穩(wěn)壓器（四個(gè)附加無(wú)源器件）的使用會(huì)稍微增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。這些技術(shù)將影響PCB的占位面積（電感器有時(shí)可能比穩(wěn)壓器IC本身大）。

圖6：ADI公司LTC3406A降壓穩(wěn)壓器的尺寸和布局

這是本文介紹的電源管理策略的總結(jié)。結(jié)果來(lái)自于我的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，以及在我們的仿真工具Wisebatt上進(jìn)行的電池壽命估算。

圖7：總結(jié)

在充分了解用例的基礎(chǔ)上，工程師可以根據(jù)三個(gè)關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)找到最適合的技術(shù)：性能，價(jià)格，外形尺寸。良好的做法是測(cè)試每個(gè)解決方案并通過(guò)模擬觀察其影響。從最初的開(kāi)發(fā)步驟開(kāi)始就正確估算電池壽命，這將防止將來(lái)進(jìn)行任何不必要的設(shè)計(jì)修改。

編輯：hfy