電池壽命是物聯(lián)網(wǎng)的核心挑戰(zhàn)之一。它依賴(lài)于設(shè)備的幾乎所有規(guī)格（硬件和固件架構(gòu)、大小、環(huán)境……）。這就是為什么必須在設(shè)計(jì)周期的早期就考慮功耗。

首先，工程師在定義其電池壽命目標(biāo)的同時(shí)準(zhǔn)確了解設(shè)備的用例至關(guān)重要。否則，它們可能無(wú)法達(dá)到市場(chǎng)預(yù)期。然后，他們可以考慮多種技術(shù)來(lái)優(yōu)化其功耗。工程師需要遵守三個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選擇最適合的解決方案：性能增益、成本和外形。Wisebatt 的首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人 Wilfried Dron 通過(guò)一些最常見(jiàn)的電源管理策略說(shuō)明了這些標(biāo)準(zhǔn)。

為了準(zhǔn)確比較這些技術(shù)，它們被實(shí)施到由微控制器、傳感器、無(wú)線(xiàn)電、線(xiàn)性穩(wěn)壓器和電池組成的基本物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中。該設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間為 1 小時(shí) 30 分。一千個(gè)單位的成本約為 8 美元。下圖中的原理圖是使用仿真工具 Wisebatt 設(shè)計(jì)的。

圖 1：Wisebatt 示意圖

表現(xiàn)

促使任何設(shè)計(jì)更改的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是優(yōu)化增益：每種策略可以實(shí)現(xiàn)多少額外的電池壽命？一些簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)調(diào)整可以提供很好的結(jié)果。應(yīng)首先關(guān)閉未使用的外圍設(shè)備，以最大程度地減少功耗和泄漏。事實(shí)上，小小的節(jié)省加起來(lái)可以將電池壽命延長(zhǎng)至 2.5 倍。

降壓穩(wěn)壓??器的使用可以導(dǎo)致類(lèi)似的電池壽命改進(jìn)。然而，降壓穩(wěn)壓器可能無(wú)法適應(yīng)所有用例，因?yàn)樗鼈兊拈_(kāi)關(guān)頻率可能會(huì)在電源上引入大量噪聲。

圖 2：降壓穩(wěn)壓器

將另一個(gè) LDO 穩(wěn)壓器添加到傳感器或無(wú)線(xiàn)電等噪聲敏感組件可以解決這個(gè)缺點(diǎn)。當(dāng)無(wú)法使用降壓穩(wěn)壓器時(shí)，拆分電源域有助于平衡散熱和磨損水平。與單個(gè)電源域相比，初始電池壽命有望達(dá)到 1.5 倍。

圖 3：LDO 穩(wěn)壓器

最后，一個(gè)簡(jiǎn)單的策略是使用負(fù)載開(kāi)關(guān)來(lái)關(guān)閉系統(tǒng)中所有未使用的組件。它可以使電池壽命至少延長(zhǎng) 10%（取決于設(shè)備的應(yīng)用程序和關(guān)閉的組件）。

圖 4：模擬

通過(guò)這些策略，可以顯著降低功耗。但如果還不夠，則應(yīng)考慮使用更大的電池。僅當(dāng)沒(méi)有其他選項(xiàng)時(shí)才應(yīng)進(jìn)行此選擇，因?yàn)檫@可能意味著產(chǎn)品特性發(fā)生重大變化。

成本

特定電源管理策略的選擇還取決于其對(duì)設(shè)備最終價(jià)格的影響。事實(shí)上，設(shè)計(jì)的改變往往意味著額外的成本。例如，由于價(jià)格相對(duì)較高，在某些情況下可能會(huì)忽略添加降壓穩(wěn)壓器的高效解決方案。

表 1：降壓穩(wěn)壓器的成本

相反，關(guān)閉每個(gè)未使用外設(shè)的簡(jiǎn)單事實(shí)不僅提供了出色的結(jié)果，而且對(duì)最終預(yù)算幾乎沒(méi)有影響。

在此使用附加 LDO 被證明是經(jīng)濟(jì)上可行的選擇。雖然功耗的改善可能不那么顯著，但它是一種令人滿(mǎn)意的低成本策略。

表 2：使用 LDO 的成本

最后，負(fù)載開(kāi)關(guān)不僅易于實(shí)現(xiàn)，而且相當(dāng)實(shí)惠。盡管電池壽命的收益比其他策略小，但它是大多數(shù)高端用例的必備條件。

表 3：其他組件的成本

顯然，更大的電池選項(xiàng)最終將排在此列表的底部，因?yàn)樗亲畎嘿F的選擇。

構(gòu)成因素

影響電源管理技術(shù)選擇的最后一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是其外形因素。它將或多或少地對(duì)決策過(guò)程產(chǎn)生重大影響。例如，這取決于可用的工程資源、項(xiàng)目的進(jìn)展、設(shè)備的尺寸和重量限制等。

再一次，關(guān)閉外圍設(shè)備顯示出非常明顯的優(yōu)勢(shì)。這種簡(jiǎn)單的技術(shù)可能需要重寫(xiě)一些現(xiàn)有的軟件和驅(qū)動(dòng)程序，但不需要任何硬件修改。如果您需要添加負(fù)載開(kāi)關(guān)，占用空間將非常小，任務(wù)非常簡(jiǎn)單，如下圖所示。

圖 5：Vishay SPI32431 負(fù)載開(kāi)關(guān)的封裝和布局

相反，選擇更大的電池會(huì)增加設(shè)備的外形尺寸和占地面積，很有可能不得不重新設(shè)計(jì)機(jī)械外殼。然而，如果在設(shè)計(jì)周期的早期階段進(jìn)行這種修改，其影響可能很小。

一些解決方案需要添加無(wú)源器件，這會(huì)略微增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，例如使用降壓穩(wěn)壓器（六個(gè)額外的無(wú)源器件）或 LDO 穩(wěn)壓器（四個(gè)額外的無(wú)源器件）。這些技術(shù)會(huì)影響 PCB 占用空間（電感器有時(shí)可能比穩(wěn)壓器 IC 本身大）。

圖 6：Analog Devices 的 LTC3406A 降壓穩(wěn)壓器的占位面積和布局

這里總結(jié)一下本文介紹的電源管理策略。結(jié)果來(lái)自我的專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗(yàn)，以及在我們的模擬工具 Wisebatt 上進(jìn)行的電池壽命估計(jì)。

圖 7：總結(jié)

通過(guò)對(duì)用例的深入了解，工程師可以找到最適合的技術(shù)，涉及三個(gè)關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)：性能、價(jià)格、外形。一個(gè)好的做法是通過(guò)模擬測(cè)試每個(gè)解決方案并觀(guān)察其影響。從最初的開(kāi)發(fā)步驟就完成了電池壽命估算，將防止將來(lái)進(jìn)行任何不必要的設(shè)計(jì)修改。

　　審核編輯：湯梓紅