在本專欄中，我們將介紹系統(tǒng)級(jí)的功率控制，包括外部外設(shè)和穩(wěn)壓器的功率控制。前面我們探討了使用高級(jí)電源模式和集成外設(shè)來優(yōu)化功耗。在本專欄中，我們將介紹如何在系統(tǒng)級(jí)別控制電源，包括外部外設(shè)和穩(wěn)壓器的功率。

如上一篇專欄所述，1） 靈活且精細(xì)的電源模式，2） 能夠在低功耗模式下運(yùn)行且獨(dú)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） 的功耗。然而，在系統(tǒng)層面，還有額外的外圍設(shè)備連接到PSoC，它們也會(huì)消耗電力并導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電池消耗。圖 1 顯示了一個(gè)示例。

圖1.帶外部外設(shè)的 PSoC

為了在系統(tǒng)級(jí)別優(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(chǔ)器和傳感器）都帶有在不需要使用時(shí)將其關(guān)閉的選項(xiàng)。這是通過標(biāo)準(zhǔn)通信接口使用“關(guān)斷”引腳或命令完成的。但是，在某些情況下，這是不可能的。讓我們以上一專欄中的示例為例 - 直流信號(hào)鏈，其中橋式傳感器通過內(nèi)部運(yùn)算放大器與PSoC的ADC接口。橋式傳感器是四個(gè)阻抗的無源集合。因此，它始終從基準(zhǔn)電源獲取電源，即使與其接口的外設(shè)關(guān)閉也是如此。但是，使用靈活的GPIO和內(nèi)部邏輯對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行輕微修改即可解決此問題。

圖2.使用 GPIO 為外部橋接傳感器供電

如圖 2 所示，該橋現(xiàn)在通過 GPIO 供電。這還提供了與ADC的模擬連接，用于測(cè)量電橋激勵(lì)電壓并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)Pin_0處于邏輯高電平時(shí)，Pin_3處于邏輯低電平時(shí)，電橋?qū)⑸想?。?dāng)不再需要電橋測(cè)量時(shí)，除了關(guān)閉內(nèi)部模塊外，還可以通過在邏輯高阻抗?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行Pin_0和Pin_3來消除流過電橋傳感器的電流。

并非所有外部外設(shè)都可以由 PSoC 供電，有些外設(shè)可能完全沒有“關(guān)斷”引腳或命令。這些外設(shè)連續(xù)從電源獲取電力。在大多數(shù)情況下，電源將具有電源管理 IC （PMIC），該 IC 為 PSoC 和外部外設(shè)提供穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓器本身在工作時(shí)消耗功率。除了低功耗模式下內(nèi)核的功耗外，外部外設(shè)和穩(wěn)壓器的空閑功耗決定了系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的最低功耗。為了獲得最佳效率，請(qǐng)關(guān)閉穩(wěn)壓器。然后，系統(tǒng)可以進(jìn)入“備份”域以維護(hù)內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）并在外部事件（如按下按鈕）時(shí)喚醒。圖 3 顯示了上一列修改為包含此狀態(tài)的電源模式轉(zhuǎn)換圖。

圖3.關(guān)閉外部穩(wěn)壓器

備份域使用由備用電源（如電池或超級(jí)電容器）提供的單獨(dú)電源域增加了“始終開啟”功能（參見圖 4）。備份域包含一個(gè)具有報(bào)警功能的實(shí)時(shí)時(shí)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(dòng)切換。備用電源通常連接到獨(dú)立電池，如紐扣電池或超級(jí)電容器。對(duì)于超級(jí)電容器，它在穩(wěn)壓器和系統(tǒng)其余部分處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)充電。

圖4.備份域的詳細(xì)信息

圖5.備份域控制系統(tǒng)級(jí)功耗

當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)需要進(jìn)入可實(shí)現(xiàn)的最低功耗狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)可以指示PMIC關(guān)閉。PMIC、外部外設(shè)和內(nèi)部外設(shè)（從備用電源運(yùn)行的外設(shè)除外）關(guān)閉。系統(tǒng)可以使用以下兩個(gè)選項(xiàng)之一從此狀態(tài)喚醒 - 內(nèi)部RTC報(bào)警事件或外部引腳輸入。利用備份域可顯著延長(zhǎng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的電池壽命，同時(shí)使能量收集等其他電源選項(xiàng)變得可行。

能量收集是從操作環(huán)境（如光、熱和機(jī)械能）中獲得能量的過程。從系統(tǒng)級(jí)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，而不是始終從電池中獲取電力。當(dāng)超低能耗系統(tǒng)需要少量功率時(shí)，能量收集是可行的。太陽能模塊是最受歡迎的能量收集解決方案，因?yàn)樗鼈冸S時(shí)可用、易于使用且成本低。然而，隨著可穿戴設(shè)備（如智能鞋）暴露在運(yùn)動(dòng)中，壓電和電磁動(dòng)能收集變得有吸引力，因?yàn)樗鼈兛梢栽诟叩碾妷合庐a(chǎn)生大量電力。在工業(yè)應(yīng)用中，熱電發(fā)電機(jī)是利用熱量發(fā)電的絕佳選擇。

雖然能量收集提供“免費(fèi)”能源，但它需要精心設(shè)計(jì)的電子設(shè)備，以便從不同的能源為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)提供恒定的供應(yīng)。更重要的是，應(yīng)盡量減少泄漏。利用備份域可使系統(tǒng)進(jìn)入最小泄漏狀態(tài)，仍能保持喚醒定時(shí)事件和外部輸入的能力。

審核編輯：郭婷