如何選擇IoT裝置電源管理策略?

作者 : Wilfried Dron,Wisebatt執行長暨聯合創始人

電池壽命是物聯網技術的核心挑戰之一。它受到裝備幾乎所有技術參數(硬體和韌體的結構、大小、環境…等)的影響。透過過對裝置用途的深入瞭解,工程師可以依據三個關鍵標準找到最適合的解決方案…

電池壽命是物聯網(IoT)技術的核心挑戰之一。它受到裝置幾乎所有技術參數(硬體和韌體的結構、大小、環境…等)的影響。這也是為什麼在設計初期就必須考慮裝置的功耗問題。

對於工程師而言,首先要準確瞭解裝置的用途,然後才能為其設定電池壽命的目標,否則生產出的裝置可能無法滿足市場需求。隨後工程師可以考慮使用一些技術來對裝置的功耗進行最佳化。工程師在選擇最適合的解決方案時,需要遵循三個主要標準:性能提高、成本控制和外形尺寸控制。本文中,Wisebatt執行長暨聯合創始人Wilfried Dron將透過一些最常見的電源管理策略對這些標準進行解釋。

為了比較這些技術,它們會被應用在一個基礎的IoT裝置上,該IoT裝置由微控制器、感測器、無線電、線性穩壓器和電池組成。它的電池續航時間為一個半小時,一千個單位成本約為8美元,下方是用模擬工具Wisebatt設計的原理圖。

 

Wisebatt原理圖。

 

性能

性能的最佳化是進行任何設計調整的第一標準:每種對策可以延長多久的電池壽命?一些簡單的設計調整就可以有很好的效果。首先可以嘗試關閉不在使用中的週邊裝置電源,以最大程度地降低功耗和洩漏。實際上,一點點節省累積起來可以將電池壽命最多延長2.5倍。

使用降壓穩壓​​器來提高電池壽命也有差不多的效果。但是,降壓穩壓器可能無法適用於所有情況,這是因為它們的開關頻率可能會給電源導入大量雜訊。

 

降壓穩壓器。

 

為雜訊敏感元件(例如感測器或RF元件)添加另一個低壓差線性穩壓器(LDO)就可以解決這個問題。當無法使用降壓穩壓器時,將電源域分開有助於平衡散熱和磨損。與單個電源域相比,這個方法預計可使電池壽命提升到初始值的1.5倍。

 

低壓差線性穩壓器穩壓器。

 

最後一種簡單的策略是使用負載開關來切斷系統中所有未使用的元件。這個方法至少可以提升10%的電池壽命(這取決於裝置的應用和切斷的元件)。

 

模擬。

 

透過使用這些方案可以顯著降低功耗。但如果這還不夠的話,就應考慮使用更大的電池。更大的電池可能意味著產品特性發生重大改變,所以只應在無計可施時才採用。

成本

該選擇哪種電源管理策略取決於其對裝置最終價格的影響。在實踐中,設計上的改變通常意味著額外的成本增加。例如,使用降壓穩壓器這一高效方案在某些情況下由於相對價格較高,所以通常會被放棄。

 

表1:降壓穩壓器的成本。

 

相反,切斷不用的週邊裝置電源不僅擁有出色的效果,而且幾乎對預算沒有任何影響。使用額外的LDO被證明是經濟可行的,雖然這對於功耗的改善可能不太明顯,但這仍是一種令人滿意的低成本策略。

 

表2:LDO的成本。

 

最後,負載開關不僅易於實現,而且價格合理。儘管電池續航時間的好處比其他方案要少,但對於大多數高階應用來說,這個方法必不可少。

 

表3:其他元件的成本。

 

很明顯,使用更大電池這一選項是最後才會考慮的,因為這會是最貴的選擇。

外形尺寸

最後一個會影響電源管理技術選擇的是裝置的外形尺寸。裝置的外形尺寸會對決策過程產生或多或少的影響。例如,它會對可用的工程資源、專案的進展、裝置的尺寸和重量限制…等產生影響。

就像前面提到的,關閉週邊裝置電源這一方法有著明顯的優勢。實現這種簡單的技術可能需要重寫一些現有的軟體和驅動程式,但不需要任何硬體上的修改。如果需要添加負載開關,開關佔用空間將非常小,且添加任務非常簡單,如下圖所示。

 

Vishay的SPI32431負載開關的封裝和佈局。

 

相反,選擇更大的電池將擴大裝置的外形尺寸和封裝面積,並且很有可能導致需要重新設計機械外殼。但是,如果在設計初期進行這個修改,其影響可能會很小。

某些解決方案需要添加被動元件,這對於使用降壓穩壓器(六個附加被動元件)或LDO (四個附加被動元件)來說,會略微增加設計上的複雜性,這些技術將影響PCB的佔位面積(電感有時可能比穩壓器IC本身還要大)。

 

ADI的LTC3406A降壓穩壓器的封裝與佈局。

 

下方是針對本文介紹過的電源管理策略做的一個總結。此結論來自於筆者的專業經驗,以及在模擬工具Wisebatt上進行的電池壽命估算。

 

針對電源管理策略所做的總結。

 

透過對裝置用途的深入瞭解,工程師可以依據三個關鍵標準(性能、價格、外形尺寸)找到最適合的解決方案。具體施行起來,需對每個解決方案進行測試,並利用模擬觀察每個方案帶來的影響。在最初的開發步驟中正確估算出電池的壽命,將幫助避免在未來進行任何不必要的設計修改。

(參考原文:How to Choose the Right Power Management Strategy,by Wilfried Dron)

本文同步刊登於EE Times China 7月號雜誌

 

 

 

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