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)計周期的早期就考慮功耗的原因。

首先，對于工程師而言，在定義其電池壽命目標時準確了解該設(shè)備的用例至關(guān)重要。否則，它們可能無法滿足市場期望。然后，他們可以考慮幾種技術(shù)來優(yōu)化其功耗。工程師需要遵循三個主要標準來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通過一些最常見的電源管理策略說明了這些標準。

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

圖1：Wisebatt原理圖

表現(xiàn)

促使任何設(shè)計變更的第一個標準是優(yōu)化增益：每種策略可以實現(xiàn)多少額外的電池壽命？一些簡單的設(shè)計調(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。實際上，少量的節(jié)省就可以將電池壽命延長至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)壓器可能無法適應(yīng)所有用例，因為它們的開關(guān)頻率可能會在電源上引入很多噪聲。

圖2：降壓穩(wěn)壓器

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

圖3：LDO穩(wěn)壓器

最后，一種簡單的策略是使用負載開關(guān)來關(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)沒有其他選擇可能時才應(yīng)做出此選擇，因為這可能意味著產(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設(shè)備最終價格的影響。實際上，設(shè)計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因為其相對較高的價格而被忽略。

表1：降壓穩(wěn)壓器的成本

相反，關(guān)閉每個未使用的外圍設(shè)備電源的簡單事實不僅提供了出色的結(jié)果，而且?guī)缀鯇ψ罱K預(yù)算沒有任何影響。

在這里，使用附加的LDO被證明是經(jīng)濟上可行的選擇。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，負載切換不僅易于實現(xiàn)，而且價格合理。盡管電池續(xù)航時間比其他策略要短，但是對于大多數(shù)高端用例來說，這是必不可少的。

表3：其他組件的成本

顯然，較大的電池選項將排在該列表的底部，因為這將是最昂貴的選擇。

構(gòu)成因素

影響電源管理技術(shù)選擇的最后一個標準是其外形尺寸。這將對決策過程產(chǎn)生或多或少的重大影響。例如，它取決于可用的工程資源，項目的進度，設(shè)備的尺寸和重量限制等。

再說一次，關(guān)閉外圍設(shè)備電源將顯示出明顯的優(yōu)勢。這種簡單的技術(shù)可能需要重寫一些現(xiàn)有的軟件和驅(qū)動程序，但不需要任何硬件修改。如果需要添加負載開關(guān)，則占用空間非常小，任務(wù)非常簡單，如下圖所示。

圖5：Vishay的SPI32431負載開關(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)計機械外殼。但是，如果在設(shè)計周期的早期階段進行此修改，則影響可能很小。

某些解決方案需要添加無源器件，這對于降壓穩(wěn)壓器（六個附加無源器件）或LDO穩(wěn)壓器（四個附加無源器件）的使用會稍微增加設(shè)計的復(fù)雜性。這些技術(shù)將影響PCB的占位面積（電感器有時可能比穩(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)果來自于我的專業(yè)經(jīng)驗，以及在我們的仿真工具Wisebatt上進行的電池壽命估算。

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)三個關(guān)鍵標準找到最適合的技術(shù)：性能，價格，外形尺寸。良好的做法是測試每個解決方案并通過模擬觀察其影響。從最初的開發(fā)步驟開始就正確估算電池壽命，這將防止將來進行任何不必要的設(shè)計修改。

編輯：hfy