智能設(shè)備的智能系統(tǒng)級電源管理

在本專欄中，我們將了解在系統(tǒng)級別控制電源，包括外部外圍設(shè)備和穩(wěn)壓器的電源控制。

上一次，我們探索了使用高級電源模式和集成外設(shè)來優(yōu)化功耗。在本專欄中，我們將了解在系統(tǒng)級別控制電源，包括外部外圍設(shè)備和穩(wěn)壓器的電源。

如上一專欄所述，1） 靈活且精細的功耗模式，2） 能夠在低功耗模式下運行且獨立于 CPU 的專用外設(shè)，以及 3） 可編程模擬和數(shù)字邏輯有助于優(yōu)化可編程片上系統(tǒng) （PSoC）。但是，在系統(tǒng)級別，還有其他外圍設(shè)備連接到 PSoC，它們也會消耗電力并導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的電池消耗。圖 1 顯示了一個示例。

圖 1. 帶有外部外設(shè)的 PSoC

為了在系統(tǒng)級優(yōu)化功耗，還必須控制這些組件的功耗。許多外圍設(shè)備，例如存儲器和傳感器，都帶有一個選項，可以在不需要使用時關(guān)閉它們。這是使用“關(guān)閉”引腳或標(biāo)準(zhǔn)通信接口上的命令來完成的。但是，在某些情況下這是不可能的。讓我們從上一篇專欄中舉一個例子 - 一個直流信號鏈，其中一個橋式傳感器通過內(nèi)部運算放大器與 PSoC 的 ADC 接口。橋式傳感器是四個阻抗的無源集合。因此，它始終從參考電源中獲取電力，即使與其接口的外圍設(shè)備已關(guān)閉。然而，使用靈活的 GPIO 和內(nèi)部邏輯對設(shè)計進行輕微修改，即可解決此問題。

圖 2. 使用 GPIO 為外部橋式傳感器供電

如圖 2 所示，該橋現(xiàn)在通過 GPIO 供電。這也提供了到 ADC 的模擬連接，用于測量電橋激勵電壓并對其進行補償。當(dāng) Pin_0 處于邏輯高電平且 Pin_3 處于邏輯低電平時，橋接器被供電。當(dāng)不再需要電橋測量時，除了關(guān)閉內(nèi)部模塊外，這還可以通過使 Pin_0 和 Pin_3 處于邏輯高阻抗?fàn)顟B(tài)來消除流過電橋傳感器的電流。

并非所有外部外設(shè)都可以從 PSoC 供電，有些可能完全沒有“關(guān)閉”引腳或命令。這些外圍設(shè)備不斷地從電源中汲取電力。在大多數(shù)情況下，電源將具有一個電源管理 IC （PMIC），可為 PSoC 以及外部外圍設(shè)備提供穩(wěn)壓電源。調(diào)節(jié)器本身在活動時會消耗功率。除了內(nèi)核在低功耗模式下的功耗外，外設(shè)和穩(wěn)壓器的空閑功耗決定了系統(tǒng)可以達到的最低功耗。要獲得最佳效率，請關(guān)閉穩(wěn)壓器。然后，系統(tǒng)可以進入“備份”域以維持內(nèi)部實時時鐘 （RTC） 并在外部事件（例如按鈕按下）時喚醒。

圖 3. 關(guān)閉外部穩(wěn)壓器

備用域使用由備用電源（如電池或超級電容器）提供的單獨電源域添加“始終開啟”功能（參見圖 4）。備份域包含一個具有鬧鐘功能的實時時鐘 （RTC），由手表晶體振蕩器 （WCO） 和 PMIC 控制提供支持。備用域的電源在主電源和備用電源之間自動切換。備用電源通常連接到獨立電池，例如紐扣電池或超級電容器。在超級電容器的情況下，它在調(diào)節(jié)器和系統(tǒng)的其余部分處于活動狀態(tài)時充電。

圖 4. 備份域的詳細信息

圖 5. 控制系統(tǒng)級功耗的備份域

當(dāng)整個系統(tǒng)需要進入可達到的最低功耗狀態(tài)時，系統(tǒng)可以指示 PMIC 關(guān)閉。PMIC、外部外圍設(shè)備和內(nèi)部外圍設(shè)備（由備用電源運行的除外）被關(guān)閉。系統(tǒng)可以使用以下兩個選項之一從該狀態(tài)喚醒 - 內(nèi)部 RTC 警報事件或外部引腳輸入。利用備用域可顯著延長物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的電池壽命，同時使能量收集等其他電源選項變得可行。

能量收集是從操作環(huán)境（如光能、熱能和機械能）中獲取能量的過程。從系統(tǒng)級的角度來看，能量收集可能是一種改變游戲規(guī)則的替代方案，而不是總是從電池中獲取電力。當(dāng)超低能量系統(tǒng)需要少量電力時，能量收集是可行的。太陽能模塊是最流行的能量收集解決方案，因為它們?nèi)菀撰@得、易于使用且成本低。然而，隨著智能鞋等可穿戴設(shè)備暴露在運動中，壓電和電磁動能收集變得很有吸引力，因為它們可以產(chǎn)生更高電壓的大量電力。熱電發(fā)電機是工業(yè)應(yīng)用中利用熱能發(fā)電的絕佳選擇。

盡管能量收集提供“免費”能量，但它需要精心設(shè)計的電子設(shè)備從不同的能源中為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點提供持續(xù)的供應(yīng)。更重要的是，應(yīng)盡量減少泄漏。使用備份域可使系統(tǒng)進入最小泄漏狀態(tài)，該狀態(tài)仍可保持在定時事件和外部輸入上喚醒的能力。

審核編輯：郭婷