帳號:
密碼:
最新動態
產業快訊
CTIMES / 文章 /
讓IoT感測器節點應用更省電
 

【作者: Alan Yang】   2024年10月24日 星期四

瀏覽人次:【1184】

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。



圖一 : 物聯網系統的典型拓撲圖
圖一 : 物聯網系統的典型拓撲圖

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。



圖二 : 傳統解決方案架構圖
圖二 : 傳統解決方案架構圖

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。



圖三 : ADI的MAX16150 架構圖
圖三 : ADI的MAX16150 架構圖

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。



圖四 : 使用MAX16163的改進解決方案
圖四 : 使用MAX16163的改進解決方案

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



型號



睡眠模式


靜態電流 (nA) (典型)



船舶模式


靜態電流(nA) (典型)



RTC



MAX31342



150



6



負載開關



TPS22916



10



10



外部按鈕控制器



MAX16150



10



10



系統整體消耗電流(典型)



170



26



表一:傳統解決方案不同功能模組的電流消耗


圖五 : 傳統解決方案的示意圖
圖五 : 傳統解決方案的示意圖

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。



圖六 : 無線感測器節點的電池壽命與占空比
圖六 : 無線感測器節點的電池壽命與占空比








































參數



傳統解決方案


RTC、負載開關和外部按鈕控制器


(MAX31342、TPS22916和MAX16150)



改進方案


整合模組


MAX16163



鈕扣電池容量



250 mAh



250 mAh



關閉電流(Shutdown Current



146 nA



30 nA



睡眠電流



170 nA



10 nA



晶片數量



3


RTC +負載開關+外部按鈕控制器



1


(整合模組)



晶體振盪器



需要



不需要



方案尺寸



130 mm2 典型



50 mm2 典型



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)


相關文章
掌握石墨回收與替代 化解電池斷鏈危機
AI高齡照護技術前瞻 以科技力解決社會難題
3D IC 設計入門:探尋半導體先進封裝的未來
SiC MOSFET:意法半導體克服產業挑戰的顛覆性技術
意法半導體的邊緣AI永續發展策略:超越MEMS迎接真正挑戰
comments powered by Disqus
相關討論
  相關新聞
» 史丹佛教育科技峰會聚焦AI時代的學習體驗
» 土耳其推出首台自製量子電腦 邁入量子運算國家行列
» COP29聚焦早期預警系統 數位科技成關鍵
» MIPS:RISC-V具備開放性與靈活性 滿足ADAS運算高度需求
» 應材於新加坡舉行節能運算高峰會 推廣先進封裝創新合作模式


刊登廣告 新聞信箱 讀者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2024 遠播資訊股份有限公司版權所有 Powered by O3  v3.20.2048.3.133.133.39
地址:台北數位產業園區(digiBlock Taipei) 103台北市大同區承德路三段287-2號A棟204室
電話 (02)2585-5526 #0 轉接至總機 /  E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw