在大多數(shù)IoT感測器節(jié)點應(yīng)用中，最佳化船舶模式和睡眠模式是提高電池效率的最佳方法之一。本文比較在船舶模式或睡眠模式下，使用負載開關(guān)、RTC和外部按鈕控制器的傳統(tǒng)解決方案，與使用整合解決方案改進方案的特性，探討如何在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）感測器節(jié)點應(yīng)用中更好地實現(xiàn)節(jié)能。
在典型的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）系統(tǒng)中，感測器節(jié)點大部分保持在睡眠模式或船舶模式，只有在需要資料獲取時才會切換到活動模式。為了更好地節(jié)能，我們需要改進物聯(lián)網(wǎng)睡眠模式或船舶模式下的電流，從而最大限度地延長電池壽命。
| 圖一 : 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的典型拓撲圖 |
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本文將主要對比在船舶模式或睡眠模式下，傳統(tǒng)解決方案（使用負載開關(guān)、RTC和外部按鈕控制器）與改進方案（使用整合解決方案），看看它們誰更省電。
船舶模式與睡眠模式
大多數(shù)情況下，感測器節(jié)點保持在睡眠模式或者船舶模式。我們先來瞭解一下這兩種模式：
船舶模式，可延長產(chǎn)品裝運階段的電池壽命。在船舶模式下，電池與系統(tǒng)其餘部分斷開電氣連接，以在產(chǎn)品閒置或未使用時將功率消耗降至最低。
在睡眠模式，系統(tǒng)的所有周邊元件要麼關(guān)閉，要麼以最低功率要求運行。物聯(lián)網(wǎng)裝置定期醒來，執(zhí)行特定任務(wù)，然後返回睡眠模式。
透過禁用無線感測器節(jié)點的各種周邊元件，可以實現(xiàn)不同的睡眠模式。例如，在數(shù)據(jù)機睡眠中，僅禁用通訊區(qū)塊。在淺睡眠模式下，包括通訊區(qū)塊、感測器區(qū)塊和數(shù)位區(qū)塊在內(nèi)的大多數(shù)區(qū)塊都被禁用；而在深睡眠模式中，無線感測器節(jié)點完全斷電。
在感測器節(jié)點中啟用深度睡眠模式可以最大化電池壽命；因此，最佳化深度休眠電流是提高整體電池壽命的唯一方法。
傳統(tǒng)節(jié)能解決方案：使用RTC、負載開關(guān)和外部按鈕控制器
以下是一個範例，其使用傳統(tǒng)解決方案來實現(xiàn)感測器節(jié)點的節(jié)能，包括採用了負載開關(guān)、RTC及外部按鈕控制器等功能模組。
| 圖二 : 傳統(tǒng)解決方案架構(gòu)圖 |
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傳統(tǒng)解決方案中，負載開關(guān)和RTC（Real-time clock；即時時鐘晶片）用於打開／關(guān)閉無線感測器節(jié)點。在這種方法中，只有負載開關(guān)和RTC同時作用，才能使無線節(jié)點處於活動狀態(tài)，從而將整體靜態(tài)電流降低到毫安培。這裡的睡眠時間可以透過無線感測器節(jié)點內(nèi)的MCU程式設(shè)定。
外部按鈕控制器可以連接到負載開關(guān)，以啟用船舶模式功能。外部按鈕將退出船舶模式，並進入無線感測器節(jié)點正常操作模式。
小祕訣：外部按鈕控制器
外部按鈕控制器具有電池「保鮮密封（Battery Freshness Seal）」功能，它是一種微處理器監(jiān)控電路的功能，外部按鈕控制器在VCC首次供電以前，斷開備份電池與任何下游電路的連接，如此能夠保證備份電池在電路板首次供電使用以前不會放電，因此可延長電池壽命。
| 圖三 : ADI的MAX16150 架構(gòu)圖 |
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改進的解決方案
在下個範例中，使用採用ADI MAX16163 / MAX16164的改進解決方案，該方案取代了傳統(tǒng)解決方案的負載開關(guān)、RTC和外部按鈕控制器。
MAX16163 / MAX16164是類比裝置的奈米功率控制器，具有開／關(guān)控制器和可程式化的睡眠時間功能。這些元件改進了一個電源開關(guān)，用於對輸出進行選通，提供可達200mA的負載電流，以簡化BOM並降低成本。
無線感測器節(jié)點單元通過MAX16162 / MAX16163連接到電池。睡眠時間可由MCU程式設(shè)定，也可使用PB/SLP接地的外部電阻器或MCU的I2C命令設(shè)置，外部只加一個按鈕用於退出裝置的船舶模式。
解決方案的性能比較
兩種方案的性能比較取決於物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的占空比。在占空比較小的應(yīng)用中，睡眠電流是衡量物聯(lián)網(wǎng)裝置運行時系統(tǒng)效率的指標，關(guān)機電流是衡量船舶模式功率消耗的指標。為了展示解決方案的模式，我們選擇具有極小靜態(tài)電流的RTC MAX31342、外部按鈕控制器MAX16150和微型負載開關(guān)TPS22916。
RTC使用I2C通訊程式設(shè)定，設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程式的睡眠時間，當計時器到期時，中斷訊號下拉MAX1615的PBIN接腳，其將輸出設(shè)置為高並接通負載開關(guān)。在睡眠期間，只有TPS22916、MAX31342和MAX16150消耗電力系統(tǒng)電源。
功能模組
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型號
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睡眠模式
靜態(tài)電流 (nA) (典型)
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船舶模式
靜態(tài)電流(nA) (典型)
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RTC
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MAX31342
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150
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6
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負載開關(guān)
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TPS22916
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10
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10
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外部按鈕控制器
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MAX16150
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10
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10
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系統(tǒng)整體消耗電流（典型）
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170
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26
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表一：傳統(tǒng)解決方案不同功能模組的電流消耗
在實驗中，我們評估了兩種最新技術(shù)在固定占空比下的壽命，比較傳統(tǒng)解決方案和使用MAX16163的改進解決方案的性能。
可以使用平均負載電流和電池容量來計算電池的壽命。
電池壽命（小時）=電池容量（mAh）/ 平均負載電流（mA） （1）
可以使用系統(tǒng)的占空比來計算平均負載電流。
占空比（D）= 工作時間 / （工作時間+休眠模式下時間） （2）
平均負載電流=工作電流 ╳ D+睡眠電流 ╳ (1-D) （3）
為了比較這兩種解決方案，假設(shè)系統(tǒng)每兩小時醒來一次，執(zhí)行特定任務(wù)，然後進入睡眠模式。系統(tǒng)啟動電流為5mA。電池壽命取決於操作的占空比。下圖顯示了具有不同占空比的兩種方案的電池壽命曲線圖，從0.005%到0.015%不等。
| 圖六 : 無線感測器節(jié)點的電池壽命與占空比 |
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參數(shù)
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傳統(tǒng)解決方案
RTC、負載開關(guān)和外部按鈕控制器
（MAX31342、TPS22916和MAX16150）
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改進方案
整合模組
（MAX16163）
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鈕扣電池容量
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250 mAh
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250 mAh
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關(guān)閉電流（Shutdown Current）
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146 nA
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30 nA
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睡眠電流
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170 nA
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10 nA
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晶片數(shù)量
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3
（RTC +負載開關(guān)+外部按鈕控制器）
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1
（整合模組）
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晶體振盪器
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需要
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不需要
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方案尺寸
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130 mm2 （典型）
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50 mm2 （典型）
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表二：兩種不同解決方案的比較
ADI的MAX16163解決方案實現(xiàn)了對這些功能進行更精確控制的設(shè)計。與傳統(tǒng)方法相比，它將電池壽命延長了約20%（對於典型的0.007%占空比操作，如圖六所示），並將解決方案大小減少到60%。
結(jié)語
在大多數(shù)應(yīng)用中，電池的壽命取決於我們?yōu)楦袦y器節(jié)點設(shè)計功率策略的效率，這表明最佳化船舶模式和睡眠模式是提高電池效率的最佳方法之一。
（本文作者 Alan Yang為Digikey Electronics資深應(yīng)用工程師）
