IoT传感器节点的节能方案

在典型的IoT物联网系统中，传感器节点大部分保持在睡眠模式或船舶模式，只有在需要数据采集时才会切换到活动模式。为了更好地节能，我们需要改进物联网睡眠模式或船舶模式下的电流，从而最大限度地延长电池寿命。

图1：物联网系统的典型拓扑图

本文将主要对比在船舶模式或睡眠模式下，传统解决方案（使用负载开关、RTC和外部按钮控制器）与改进方案 （使用集成解决方案），看看它们谁更省电。

船舶模式与睡眠模式

大多数情况下，传感器节点保持在睡眠模式或者船舶模式。我们先来了解一下这两种模式：

船舶模式，可延长产品装运阶段的电池寿命。在船舶模式下，电池与系统其余部分断开电气连接，以在产品闲置或未使用时将功耗降至最低。

在睡眠模式，系统的所有外围设备要么关闭，要么以最低功率要求运行。物联网设备定期醒来，执行特定任务，然后返回睡眠模式。  

通过禁用无线传感器节点的各种外围设备，可以实现不同的睡眠模式。例如，在调制解调器睡眠中，仅禁用通信块。在浅睡眠模式下，包括通信块、传感器块和数字块在内的大多数块都被禁用；而在深睡眠模式中，无线传感器节点完全断电。

在传感器节点中启用深度睡眠模式可以最大化电池寿命；因此，优化深度休眠电流是提高整体电池寿命的唯一方法。

传统节能解决方案：使用RTC、负载开关和外部按钮控制器

以下是一个示例，其使用传统解决方案来实现传感器节点的节能。

 

功能模块	型号
RTC	MAX31342
负载开关	TPS22916
外部按钮控制器	MAX16150

 

图2：传统解决方案框图

传统解决方案中，负载开关和RTC用于打开/关闭无线传感器节点。在这种方法中，只有负载开关和RTC（实时时钟芯片）同时作用，才能使无线节点处于活动状态，从而将总静态电流降低到毫安。这里的睡眠时间可以通过无线传感器节点内的MCU编程。

外部按钮控制器可以连接到负载开关，以启用船舶模式功能。外部按钮将退出船舶模式并进入无线传感器节点正常操作模式。

小贴士：外部按钮控制器

外部按钮控制器具有电池“保鲜密封（Battery Freshness Seal）”功能，它是一种微处理器监控电路的功能，外部按钮控制器在VCC首次上电以前断开备份电池与任何下游电路的连接。这能保证备份电池在电路板首次上电使用以前不会放电，因此可延长电池寿命。

相关产品：ADI的 MAX16150 资料来源：ADI电子工程术语定义：电池“保鲜密封”

图 3 ：MAX16150方框图

改进的解决方案

下个示例中，使用了基于ADI MAX16163/ MAX16164 的改进解决方案，该方案取代了传统解决方案的负载开关、RTC和外部按钮控制器。

图4：使用MAX16163的改进解决方案

MAX16163 / MAX16164是模拟设备的纳米功率控制器，具有开/关控制器和可编程睡眠时间功能。这些器件改进了一个电源开关，用于对输出进行选通，提供可达200mA的负载电流，以简化BOM并降低成本。

无线传感器节点单元通过MAX16162 / MAX16163连接到电池。睡眠时间可由MCU编程，也可使用PB/SLP接地的外部电阻器或MCU的I2C命令设置外部只加一个按钮用于退出设备的船舶模式。  

两种解决方案性能比较

两种方案的性能比较取决于物联网应用的占空比。在占空比较小的应用中，睡眠电流是衡量物联网设备运行时系统效率的指标，关机电流是衡量船舶模式功耗的指标。为了演示解决方案的模式，我们选择了具有极小静态电流的RTC MAX31342、外部按钮控制器MAX16150和微型负载开关TPS22916。

RTC使用I2C通信编程，设置物联网应用程序的睡眠时间，当定时器到期时，中断信号下拉MAX1615的PBIN引脚，其将输出设置为高并接通负载开关。在睡眠期间，只有TPS22916、MAX31342和MAX16150消耗电力系统电源。

表 1：传统解决方案不同功能模块的电流消耗

图5：传统解决方案的示意图

在实验中，我们评估了两种最新技术在固定占空比下的寿命，比较了传统解决方案和使用MAX16163的改进解决方案的性能。

可以使用平均负载电流和电池容量来计算电池的寿命。

可以使用系统的占空比来计算平均负载电流。

平均负载电流=工作电流 ╳ D+睡眠电流 ╳ (1-D)

为了比较这两种解决方案，假设系统每两小时醒来一次，执行特定任务，然后进入睡眠模式。系统激活电流为5mA。电池寿命取决于操作的占空比。下图显示了具有不同占空比的两种方案的电池寿命曲线图，从0.005%到0.015%不等。

图6：无线传感器节点的电池寿命与占空比

表2：两种不同解决方案的比较

ADI的MAX16163解决方案实现了对这些功能进行更精确控制的设计。与传统方法相比，它将电池寿命延长了约20%（对于典型的0.007%占空比操作，如图6所示），并将解决方案大小减少到60%。

小贴士：Digi-Key电池续航时间计算器

这款Digi-Key在线计算小工具，根据电池的标称容量和负载所消耗的平均电流来估算电池续航时间。

电池续航时间 = 电池容量 (mAh) / 负载电流(mA)

在以下表格中输入电池容量与设备功耗，即可得到电池巡航时间。

本文小结

在大多数应用中，电池的寿命取决于我们为传感器节点设计功率策略的效率。这表明优化船舶模式和睡眠模式是提高电池效率的最佳方法之一。

审核编辑：汤梓红