物联网世界中的可编程电源管理

进一步加速采用有一些驱动因素，例如通过使用新的“Matter”协议在不同设备和移动应用程序之间实现更好的互操作性，现在所有级别的制造商都支持这种协议。另一个驱动因素是能够在有用的时间内使用电池运行 - 如果设备需要本地交流电源运行或需要定期更换电池，物联网的一些优势就会丧失，特别是在计算安装和劳动力成本的工业和商业应用中。对于具有以太网连接的设备，以太网供电是一种解决方案，但随着无线通信现在成为节省成本的标准，此选项已经消退。需要对功耗进行管理，以便安装的电池将持续预期的设备使用寿命，十年是公认的数字。为了说明这一点，如果器件由典型容量为2Ah的单个锂离子电池供电，则需要从12.43V电池中汲取小于3μA或6μW的平均值，使用寿命为<>年。

对于其他个人应用，例如可穿戴设备，充电或更换电池可能不是这样的强加，但由于尺寸限制，通常只能使用容量低的纽扣电池，因此，必须最小化功耗并最大化运行时间以使设备具有吸引力。

功率降低方案

典型的物联网设备包括处理器、传感器接口、内存和无线模块。对于处理器，可以采用各种技术来降低功耗，其中之一是能够最初配置组件以仅激活特定应用所需的最少功能数量，从而最大限度地减少活动内核门的数量。通常通过使用可配置的 CPU 硬件扩展以及降低时钟频率来减少使用的能量。这可能会限制功能，因此动态 CPU 时钟频率更改是根据处理需求“动态”实现的。此外，当不需要处理时，可以实现“空闲”或“睡眠”模式。“轻度睡眠”模式可能会暂停CPU和内部时钟，而“深度睡眠”可能会禁用除实时时钟和电路之外的所有内容，以响应“唤醒”呼叫。

同样，较低的CPU电源电压可降低动态和静态泄漏损耗，但也会降低处理速度，因此使用应用“动态电压缩放”的有源方案来根据所需的功能定制电压。

物联网设备中的内存消耗功率， 可以与无线功能使用的能量交换.随着工业物联网（IIoT）中“边缘”计算的实施越来越多，其中数据的预处理和聚合在物联网设备上执行，通常在“云”中进行集中处理所需的发送/接收周期更少。由于收发器模块通常是最耗电的元件，因此在本地处理的读/写周期中，本地RAM中一点额外功率的开销是值得的。通过实施休眠模式并将电源电压动态调整到所需的最小值，可以再次将内存功耗降至最低。

收发器模块可以使用从3/4/5G到Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等多种协议。数据吞吐量通常与功耗进行权衡， 1+ 公里范围内的 LoRA/LoRaWAN 和 NM-IoT 通常是最低的， 但数据速率小于 1 Mbps.例如，对于短距离，蓝牙LE和Zigbee因其较低的功耗而受到青睐，例如Wi-Fi。图 1 显示了蓝牙、蓝牙 LE、Zigbee 和 Wi-Fi 模块的一些比较数字，从 [2] 和 [3] 值获取的数据取决于设备的确切配置，但给出了功耗差异的指示。

图1：常用网络技术的相对功耗

通常，建议将传输活动限制为聚合数据并限制“推送”通知以降低功耗。例如，可以在检测到更改时发送数据，而不是连续发送，例如触发安全摄像头进行记录的运动检测。

使降低功耗的所有机制复杂化的是所需的电源轨电压数量，通常从CPU内核的低于1V，I/O的1.8V，闪存的3V和收发器模块的5V。

电源管理对于延长电池寿命是必要的

为了在针对低功耗优化的物联网设备中实现具有启用、排序和动态缩放功能的适当电源轨生成，出现了一种新的组件类别，即“PMIC”或电源管理IC。一个例子是来自Qorvo [81460]的ACT4（图2）。

图 2：针对低功耗物联网设备优化的电源管理 IC，Qorvo 部分 ACT81460

Qorvo 器件包括四个集成功率 FET 的 DC-DC 转换器、三个低压差稳压器 （LDO） 和三个独立的负载开关。其中两个DC-DC转换器是降压稳压器，一个是升压/降压-升压稳压器，第四个是能够提供高达20V的高压升压升压稳压器。每个稳压器都可以通过 I2C 接口配置为宽输出电压范围。ACT81460的电源为4V - 5.5VDC，或者由2.7V - 4.5V的锂离子电池供电。PMIC 使用有源电源路径线性充电器 （APLC） 控制电池充电，该充电器可以使用电池温度和电压反馈提供高达 0.8A 的电流，以实现最佳充电曲线。涓流、预调节和快速充电模式还适用于不同的初始电池充电状态。在禁用开关稳压器的情况下，电池的电流消耗可低至 2.1μA，同时仍使能内部基准和监视器。当所有稳压器和负载开关均使能但空载时，静态电流为 6μA。该器件包括四个通用GPIO，具有高度可配置性，并通过其I2C接口支持动态电压调节。ACT81460采用微型3.33 x 3.28 49球WLCSP封装，适合最小的应用，包括低功耗纯电池物联网节点以及可在方便时连接到充电器的高功率便携式设备。

对于更小但具有更高输出电流额定值的封装，Qorvo还提供其ACT88420器件（图3）。

图 3：Qorvo ACT88420 PMIC

该器件采用仅为 2.693mm x 2.693mm 的封装，包括 4 个额定电流高达 0A 的降压转换器、1 个可配置为负载开关的 LDO 和 10 个可配置 GPIO。在完全停机模式中，电源电流典型值为 470.2μA，在待机、睡眠或深度睡眠模式下典型值仅为 25μA。降压转换器需要外部电感器，但由于开关频率高达81460.88420MHz，每个电感器非常小，每个2nH。与ACT<>一样，ACT<>可通过其GPIO和I<>C接口进行高度配置，并且还支持Qorvo“ActiveCiPSTM”加密狗，当连接到设备评估板时，允许用户通过直观的GUI进行配置和监控，而无需任何特殊软件或固件。为特定终端系统选择默认参数后，用户可以将配置上传到 Qorvo，然后由 Qorvo 运送具有所需功能的预编程部件。该器件具有高输出电流能力，适用于更高功率的物联网组件，如固态驱动器、FPGA、计算机视觉系统和便携式音频/视频。但是，凭借其超低待机功耗，它也适用于具有终身电池电量的低功耗产品。

结论

随着物联网设备已经普及到我们生活的各个领域，它们的价值和有效性越来越多地取决于它们的电池使用寿命。尝试使用分立式解决方案管理功耗不可避免地会导致驻压损耗过高并占用大量电路板空间。然而，使用PMIC可以解决微功耗和尺寸问题，适合最小的应用。

审核编辑：郭婷