智能设备的智能系统级电源管理

上一次，我们探索了使用高级电源模式和集成外设来优化功耗。在本专栏中，我们将了解在系统级别控制电源，包括外部外围设备和稳压器的电源。

如上一专栏所述，1） 灵活且精细的功耗模式，2） 能够在低功耗模式下运行且独立于 CPU 的专用外设，以及 3） 可编程模拟和数字逻辑有助于优化可编程片上系统 （PSoC）。但是，在系统级别，还有其他外围设备连接到 PSoC，它们也会消耗电力并导致物联网节点的电池消耗。图 1 显示了一个示例。

图 1. 带有外部外设的 PSoC

为了在系统级优化功耗，还必须控制这些组件的功耗。许多外围设备，例如存储器和传感器，都带有一个选项，可以在不需要使用时关闭它们。这是使用“关闭”引脚或标准通信接口上的命令来完成的。但是，在某些情况下这是不可能的。让我们从上一篇专栏中举一个例子 - 一个直流信号链，其中一个桥式传感器通过内部运算放大器与 PSoC 的 ADC 接口。桥式传感器是四个阻抗的无源集合。因此，它始终从参考电源中获取电力，即使与其接口的外围设备已关闭。然而，使用灵活的 GPIO 和内部逻辑对设计进行轻微修改，即可解决此问题。

图 2. 使用 GPIO 为外部桥式传感器供电

如图 2 所示，该桥现在通过 GPIO 供电。这也提供了到 ADC 的模拟连接，用于测量电桥激励电压并对其进行补偿。当 Pin_0 处于逻辑高电平且 Pin_3 处于逻辑低电平时，桥接器被供电。当不再需要电桥测量时，除了关闭内部模块外，这还可以通过使 Pin_0 和 Pin_3 处于逻辑高阻抗状态来消除流过电桥传感器的电流。

并非所有外部外设都可以从 PSoC 供电，有些可能完全没有“关闭”引脚或命令。这些外围设备不断地从电源中汲取电力。在大多数情况下，电源将具有一个电源管理 IC （PMIC），可为 PSoC 以及外部外围设备提供稳压电源。调节器本身在活动时会消耗功率。除了内核在低功耗模式下的功耗外，外设和稳压器的空闲功耗决定了系统可以达到的最低功耗。要获得最佳效率，请关闭稳压器。然后，系统可以进入“备份”域以维持内部实时时钟 （RTC） 并在外部事件（例如按钮按下）时唤醒。

图 3. 关闭外部稳压器

备用域使用由备用电源（如电池或超级电容器）提供的单独电源域添加“始终开启”功能（参见图 4）。备份域包含一个具有闹钟功能的实时时钟 （RTC），由手表晶体振荡器 （WCO） 和 PMIC 控制提供支持。备用域的电源在主电源和备用电源之间自动切换。备用电源通常连接到独立电池，例如纽扣电池或超级电容器。在超级电容器的情况下，它在调节器和系统的其余部分处于活动状态时充电。

图 4. 备份域的详细信息

图 5. 控制系统级功耗的备份域

当整个系统需要进入可达到的最低功耗状态时，系统可以指示 PMIC 关闭。PMIC、外部外围设备和内部外围设备（由备用电源运行的除外）被关闭。系统可以使用以下两个选项之一从该状态唤醒 - 内部 RTC 警报事件或外部引脚输入。利用备用域可显着延长物联网系统的电池寿命，同时使能量收集等其他电源选项变得可行。

能量收集是从操作环境（如光能、热能和机械能）中获取能量的过程。从系统级的角度来看，能量收集可能是一种改变游戏规则的替代方案，而不是总是从电池中获取电力。当超低能量系统需要少量电力时，能量收集是可行的。太阳能模块是最流行的能量收集解决方案，因为它们容易获得、易于使用且成本低。然而，随着智能鞋等可穿戴设备暴露在运动中，压电和电磁动能收集变得很有吸引力，因为它们可以产生更高电压的大量电力。热电发电机是工业应用中利用热能发电的绝佳选择。

尽管能量收集提供“免费”能量，但它需要精心设计的电子设备从不同的能源中为物联网节点提供持续的供应。更重要的是，应尽量减少泄漏。使用备份域可使系统进入最小泄漏状态，该状态仍可保持在定时事件和外部输入上唤醒的能力。

创新的电源管理技术解决方案提高了物联网系统的性能和可靠性。在接下来的专栏系列中，我们将继续探索更多创新的解决方案，让物联网设备更加智能。

作者：Jaya Kathuria Bindra ，Nidhin MS

审核编辑：郭婷