為物聯網裝置大幅提升電池能效比
作者 : Suryash Rai，ADI 產品應用工程師
在連網世界中，物聯網(IoT)發揮關鍵作用，它連接不同的感測器節點並進行傳輸。電源管理是提高物聯網應用效率的重點領域之一...
在透過網際網路的連網世界中，物聯網(IoT)發揮著關鍵作用，能夠連接不同的感測器節點，將資料傳輸到安全伺服器。電源管理是提高物聯網應用效率的重點領域之一。
在大多數應用中，感測器節點(資料擷取元件)大多由電池供電且均放置在偏遠區域。電池壽命取決於為感測器節點設計的電源策略效率。通常，感測器節點處於休眠模式，只有在進行資料擷取時才會切換到啟動模式。這些元件的工作週期很低。為了盡可能延長電池壽命，必須提升物聯網應用中休眠電流的性能。
本文探討如何讓物聯網裝置更節能高效。首先將簡單回顧電池管理發展，之後重點介紹nanopower運輸節電模式(Ship Mode)和休眠模式在電池管理的關鍵作用。最後還將提供一種新的解決方案，比起傳統方法更能最佳化電池管理的兩種模式，並有利於降低功耗級和節省電路板空間。
物聯網裝置中電源管理的基礎知識
在典型的物聯網系統中(如圖1所示)，無線感測器節點大多由電池供電，因而其自身也會受到電池壽命的限制。電源管理在延長感測器節點使用時間方面產生關鍵作用。在考慮如何節省感測器節點電力時，通常會涉及工作週期這個概念。由於串音和空閒偵聽是造成感測器節點能源浪費的主要來源，我們可以從以下三個不同的層面來評估無線感測器節點的耗電量：
- 感測器
- 微控制器
- 無線電操作感測器採集溫度、濕度等原始資料，並將其發送給微控制器。
微控制器(MCU)負責處理原始資料，並透過無線鏈路將這些資料傳輸到雲端或資料中心。然而，由於典型感測器應用執行時的工作週期非常低(從0.01%到1%不等)，且大部份時間處於閒置狀態， 因此，如果電源管理方案採用具有極低休眠電流的感測器節點將有助於延長電池壽命。智慧灌溉系統就屬於此類應用，系統裡面的感測器節點可測量土壤濕度且每小時僅收集一次資料。
圖1：物聯網系統的典型建構模組。
運輸模式和休眠模式有什麼關鍵作用？
運輸(節電)模式和休眠模式是以電池供電的物聯網裝置中常用的專業術語，也是物聯網應用中電源管理需要考慮的關鍵因素。運輸模式是一種nanopower狀態，可在產品運輸階段延長電池壽命。在運輸模式下，電池與系統其餘部份斷開連接，以盡可能減少產品閒置或不使用時的電力消耗。運輸模式可透過按鈕解除，以恢復裝置的正常執行。
當裝置處於啟動狀態時，可使用休眠模式來延長電池壽命。在休眠模式下，系統所有周邊會是關閉或是以最低功率要求執行。物聯網裝置會定期喚醒，執行特定任務後重新回到休眠模式。
透過禁用無線感測器節點的各種周邊可實現不同的休眠模式。例如，在數據機休眠模式中，只有通訊模組會被禁用。在輕度休眠模式中，大多數模組被禁用(包括通訊模組、 感測器模組和數位模組等)，在深度休眠模式中，無線感測器節點電源完全關閉。
在感測器節點中啟用深度休眠模式可大幅延長電池壽命； 因此，最佳化深度休眠電流是提高電池整體壽命的唯一途徑。
在物聯網應用中啟用深度休眠模式工作週期的方法
物聯網模組中的工作週期是啟用深度休眠模式的常用方法之一。當無線感測器節點處於深度休眠狀態時，大多數周邊都處於電源關閉或關機模式，此模式僅消耗少量nA級電流。即時時脈 (RTC)等計時元件會在編程設定的超時週期後喚醒物聯網模組。如果使用此種方法，MCU會在系統處於深度休眠模式時完全關閉。但是在恢復之後，總會涉及啟動時間，而這將增加不必要的延遲。有鑑於這些利弊得失，所提出方法的效果取決於每個節點的特性和所應用的工作週期。
深度休眠模式和運輸模式的傳統解決方案： 使用RTC、負載開關和按鈕控制器
傳統解決方案通常使用負載開關和RTC來切換無線感測器節點的電源。使用此種方法時，只有負載開關和RTC處於啟動狀態，從而將總靜態電流減少到nA級。休眠時間可以透過無線感測器節點內的MCU進行編程設定。
外部按鈕控制器可以連接到負載開關以啟用運輸模式功能。外部按鈕用於退出運輸模式，使無線感測器節點進入正常運作模式。
圖2：離散式解決方案方塊圖。
深度休眠和運輸模式改良方案
例如ADI的nanopower控制器MAX16163/MAX16164，其具有切換控制器和可編程休眠時間特性。該元件整合一個電源開關來選通輸出，可提供高達200mA的負載電流。MAX16162/MAX16163可取代傳統負載開關、RTC和電池「保鮮度」(freshness)晶片，以減少物料清單(BOM)的數量並降低成本。無線感測器節點單元透過 MAX16162/MAX16163連接到電池。休眠時間可透過MCU進行編程設定，也可使用PB/SLP與接地之間的外部電阻或使用MCU的I2C命令來設定。外部按鈕用於退出元件的運輸模式。
圖3：使用MAX16163的整合解決方案。
解決方案性能比較
兩種方案的性能比較結果取決於物聯網應用的工作週期。對於工作週期小的應用，可透過休眠電流來衡量物聯網裝置執行時的系統效率，並以關機電流來衡量運輸模式的耗電量。為了驗證該解決方案的模式，我們選擇了靜態電流最小的RTC MAX31342、電池保鮮度密封MAX16150和小型負載開關TPS22916。RTC使用I2C通訊進行編程，用於設定物聯網應用的休眠時間，當計時器逾期時，中斷訊號會下拉MAX16150的PBIN接腳。MAX16150將OUT設定為高位準並打開負載開關。在休眠期間，僅TPS22916、MAX31342 和MAX16150會消耗電源系統的電力。
表1：傳統解決方案中不同模組的電流消耗。
圖4：離散式解決方案原理圖。
在實驗中，我們評估了兩種先進解決方案在固定工作週期下的電池使用壽命，並比較傳統解決方案和使用MAX16163的改良方案的性能。
電池壽命可以運用平均負載電流和電池容量來計算。
平均負載電流可以用系統的工作週期來計算。
有效電流是指無線感測器節點處於啟動狀態時的系統電流。
為了比較這兩種解決方案，我們假設系統每兩小時喚醒一次， 執行特定任務後進入休眠模式。系統有效電流為5mA。電池壽命取決於執行的工作週期。圖5顯示工作週期不同的兩種方案的電池壽命圖，工作週期從0.005%到0.015%不等。
圖5：無線感測器節點的電池壽命與工作週期的關係。
表2：兩種不同解決方案的比較。
綜上所述，本文探討在物聯網裝置快速成長環境下對電池電量管理的關鍵作用，並顯示最佳化運輸和休眠模式是提高電池效率的最佳途徑之一。例如ADI MAX16163解決方案有助於在設計中更精準控制這些功能。相較於傳統方法，該解決方案將電池壽命延長了約20% (針對0.007%的典型工作週期操作，如圖 5所示)，並將解決方案尺寸縮減至傳統方案的60%。
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