在大多數IoT感測器節點應用中,最佳化船舶模式和睡眠模式是提高電池效率的最佳方法之一。本文比較在船舶模式或睡眠模式下,使用負載開關、RTC和外部按鈕控制器的傳統解決方案,與使用整合解決方案改進方案的特性,探討如何在物聯網(IoT)感測器節點應用中更好地實現節能。
在典型的物聯網(IoT)系統中,感測器節點大部分保持在睡眠模式或船舶模式,只有在需要資料獲取時才會切換到活動模式。為了更好地節能,我們需要改進物聯網睡眠模式或船舶模式下的電流,從而最大限度地延長電池壽命。
本文將主要對比在船舶模式或睡眠模式下,傳統解決方案(使用負載開關、RTC和外部按鈕控制器)與改進方案(使用整合解決方案),看看它們誰更省電。
船舶模式與睡眠模式
大多數情況下,感測器節點保持在睡眠模式或者船舶模式。我們先來瞭解一下這兩種模式:
船舶模式,可延長產品裝運階段的電池壽命。在船舶模式下,電池與系統其餘部分斷開電氣連接,以在產品閒置或未使用時將功率消耗降至最低。
在睡眠模式,系統的所有周邊元件要麼關閉,要麼以最低功率要求運行。物聯網裝置定期醒來,執行特定任務,然後返回睡眠模式。
透過禁用無線感測器節點的各種周邊元件,可以實現不同的睡眠模式。例如,在數據機睡眠中,僅禁用通訊區塊。在淺睡眠模式下,包括通訊區塊、感測器區塊和數位區塊在內的大多數區塊都被禁用;而在深睡眠模式中,無線感測器節點完全斷電。
在感測器節點中啟用深度睡眠模式可以最大化電池壽命;因此,最佳化深度休眠電流是提高整體電池壽命的唯一方法。
傳統節能解決方案:使用RTC、負載開關和外部按鈕控制器
以下是一個範例,其使用傳統解決方案來實現感測器節點的節能,包括採用了負載開關、RTC及外部按鈕控制器等功能模組。
傳統解決方案中,負載開關和RTC(Real-time clock;即時時鐘晶片)用於打開/關閉無線感測器節點。在這種方法中,只有負載開關和RTC同時作用,才能使無線節點處於活動狀態,從而將整體靜態電流降低到毫安培。這裡的睡眠時間可以透過無線感測器節點內的MCU程式設定。
外部按鈕控制器可以連接到負載開關,以啟用船舶模式功能。外部按鈕將退出船舶模式,並進入無線感測器節點正常操作模式。
小祕訣:外部按鈕控制器
外部按鈕控制器具有電池「保鮮密封(Battery Freshness Seal)」功能,它是一種微處理器監控電路的功能,外部按鈕控制器在VCC首次供電以前,斷開備份電池與任何下游電路的連接,如此能夠保證備份電池在電路板首次供電使用以前不會放電,因此可延長電池壽命。
改進的解決方案
在下個範例中,使用採用ADI MAX16163 / MAX16164的改進解決方案,該方案取代了傳統解決方案的負載開關、RTC和外部按鈕控制器。
MAX16163 / MAX16164是類比裝置的奈米功率控制器,具有開/關控制器和可程式化的睡眠時間功能。這些元件改進了一個電源開關,用於對輸出進行選通,提供可達200mA的負載電流,以簡化BOM並降低成本。
無線感測器節點單元通過MAX16162 / MAX16163連接到電池。睡眠時間可由MCU程式設定,也可使用PB/SLP接地的外部電阻器或MCU的I2C命令設置,外部只加一個按鈕用於退出裝置的船舶模式。
解決方案的性能比較
兩種方案的性能比較取決於物聯網應用的占空比。在占空比較小的應用中,睡眠電流是衡量物聯網裝置運行時系統效率的指標,關機電流是衡量船舶模式功率消耗的指標。為了展示解決方案的模式,我們選擇具有極小靜態電流的RTC MAX31342、外部按鈕控制器MAX16150和微型負載開關TPS22916。
RTC使用I2C通訊程式設定,設置物聯網應用程式的睡眠時間,當計時器到期時,中斷訊號下拉MAX1615的PBIN接腳,其將輸出設置為高並接通負載開關。在睡眠期間,只有TPS22916、MAX31342和MAX16150消耗電力系統電源。
功能模組
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型號
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睡眠模式
靜態電流 (nA) (典型)
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船舶模式
靜態電流(nA) (典型)
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RTC
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MAX31342
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150
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6
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負載開關
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TPS22916
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10
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10
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外部按鈕控制器
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MAX16150
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10
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10
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系統整體消耗電流(典型)
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170
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26
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表一:傳統解決方案不同功能模組的電流消耗
在實驗中,我們評估了兩種最新技術在固定占空比下的壽命,比較傳統解決方案和使用MAX16163的改進解決方案的性能。
可以使用平均負載電流和電池容量來計算電池的壽命。
電池壽命(小時)=電池容量(mAh)/ 平均負載電流(mA) (1)
可以使用系統的占空比來計算平均負載電流。
占空比(D)= 工作時間 / (工作時間+休眠模式下時間) (2)
平均負載電流=工作電流 ╳ D+睡眠電流 ╳ (1-D) (3)
為了比較這兩種解決方案,假設系統每兩小時醒來一次,執行特定任務,然後進入睡眠模式。系統啟動電流為5mA。電池壽命取決於操作的占空比。下圖顯示了具有不同占空比的兩種方案的電池壽命曲線圖,從0.005%到0.015%不等。
參數
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傳統解決方案
RTC、負載開關和外部按鈕控制器
(MAX31342、TPS22916和MAX16150)
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改進方案
整合模組
(MAX16163)
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鈕扣電池容量
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250 mAh
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250 mAh
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關閉電流(Shutdown Current)
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146 nA
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30 nA
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睡眠電流
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170 nA
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10 nA
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晶片數量
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3
(RTC +負載開關+外部按鈕控制器)
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1
(整合模組)
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晶體振盪器
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需要
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不需要
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方案尺寸
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130 mm2 (典型)
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50 mm2 (典型)
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表二:兩種不同解決方案的比較
ADI的MAX16163解決方案實現了對這些功能進行更精確控制的設計。與傳統方法相比,它將電池壽命延長了約20%(對於典型的0.007%占空比操作,如圖六所示),並將解決方案大小減少到60%。
結語
在大多數應用中,電池的壽命取決於我們為感測器節點設計功率策略的效率,這表明最佳化船舶模式和睡眠模式是提高電池效率的最佳方法之一。
(本文作者 Alan Yang為Digikey Electronics資深應用工程師)