如何大幅提高物联网器件的电池能效比例，如何大幅提高物联网器件的电池能效比

很多朋友对如何大幅提高物联网器件的电池能效比例，如何大幅提高物联网器件的电池能效比不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

引言在互联的互联网世界中，物联网扮演着至关重要的角色。它可以通过连接不同的传感器节点将数据传输到安全的服务器。电源管理是提高物联网应用效率的关键环节之一。

在大多数应用中，传感器节点(数据采集组件)大多由电池供电，并放置在偏远地区。电池寿命取决于传感器节点设计中电源策略的效率。通常情况下，传感器节点处于休眠模式，只有当收集到数据时，它们才会切换到活动模式。这些器件的占空比很低。为了尽可能延长电池寿命，我们需要提高睡眠电流在物联网应用中的性能。物联网设备电源管理的基础知识

在典型的物联网系统中(如图1所示)，大多数无线传感器节点由电池供电，因此它们受到电池寿命的限制。电源管理对延长传感器节点的服务时间起着关键作用。在考虑如何节省传感器节点的功率时，通常会涉及到占空比的概念。由于串扰和空闲侦听是传感器节点能量浪费的主要来源，我们可以从以下三个不同的方面来评估无线传感器节点的功耗：传感器

微控制器无线电操作

传感器收集温度和湿度等原始数据，并将其发送给微控制器。微控制器负责处理原始数据，并通过无线链路将数据传输到云或数据中心。然而，由于典型传感器应用的占空比非常低(范围从0.01%到1%)，并且大部分时间是空闲的，因此如果电源管理方案采用具有极低睡眠电流的传感器节点，将有助于延长电池寿命。

智能灌溉系统就属于这种应用。系统中的传感器节点只能每小时测量一次土壤湿度并收集数据。

图一。物联网系统的典型构建模块。传输模式和休眠模式的关键功能是什么？

传输模式和睡眠模式是电池供电的物联网设备中常用的技术术语，也是物联网应用中电源管理需要考虑的关键因素。运输方式是纳米动力状态，可以延长产品运输过程中的电池寿命。在运输模式下，当产品闲置或不使用时，电池与系统的其余部分断开连接，以最大限度地降低功耗。可通过按钮释放运输模式，以恢复设备的正常运行。

当设备处于活动状态时，可以使用睡眠模式来延长电池寿命。在睡眠模式下，系统的所有外设要么关闭，要么以最低功耗运行。物联网设备会定期唤醒，并在执行特定任务后返回睡眠模式。

通过禁用无线传感器节点的各种外设，可以实现不同的睡眠模式。例如，在调制解调器睡眠模式下，只有通信模块被禁用。在浅睡眠模式下，大多数模块被禁用(包括通信模块、传感器模块和数字模块等。)，而在深度睡眠模式下，无线传感器节点的电源完全关闭。

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，优化深度睡眠电流是提高整体电池寿命的唯一途径。用于在物联网应用中启用深度睡眠模式的占空比方法

IOT模块中的占空比是启用深度睡眠模式的常用方法之一。无线传感器节点处于深度睡眠状态时，大部分外设处于断电或断电模式，仅消耗少量纳安电流。实时时钟(RTC)等计时设备将在设定的超时时间后唤醒IOT模块。如果使用这种方法，当系统处于深度睡眠模式时，微控制器将完全关闭。

但是恢复之后，总会涉及到启动时间，会增加不必要的延迟。鉴于这些优点和缺点，所提出的方法的效果取决于每个节点的特性和应用的占空比。

深度睡眠模式和传输模式的传统解决方案：使用RTC、负载开关和按钮控制器的传统解决方案通常使用负载开关和RTC来开启/关闭无线传感器节点的电源。使用这种方法时，只有负载开关和RTC有效，从而将总静态电流降至纳安级。睡眠时间可以由无线传感器节点中的微控制器编程。

外部按钮控制器可以连接到负载开关，以启用运输模式功能。外部按钮用于退出运输模式，并使无线传感器节点进入正常工作模式。图二。离散解框图深度休眠和运输方式改进方案

MAX16163/MAX16164是ADI公司的一款纳米功率控制器，具有开/关控制器和可编程睡眠时间特性。该器件集成了一个电源开关来选通输出，可提供最高200 mA的负载电流。MAX16162/MAX16163可以取代传统的负载开关、RTC和电池‘保鲜’IC，减少BOM数量，降低成本。无线传感器节点单元通过MAX16162/MAX16163连接到电池。

睡眠时间可以由微控制器编程，或者由PB/SLP和地之间的外部电阻或微控制器的I2C命令设置。外部按钮用于退出设备的运输模式。

图3. 使用MAX16163的集成解决方案。

图4. 分立式解决方案原理图。

解决方案性能比较

两种方案的性能比较结果取决于物联网应用的占空比。对于占空比小的应用，用休眠电流来衡量物联网器件运行时的系统效率，用关机电流来衡量运输模式的耗电量。为了验证该解决方案的模式，我们选择了静态电流最小的RTC MAX31342、电池'保鲜'密封MAX16150和小型负载开关TPS22916。

RTC使用I2C通信进行编程，用于设置物联网应用的休眠时间，当定时器过期时，中断信号会下拉MAX16150的PBIN引脚。MAX16150将OUT设置为高电平并打开负载开关。在休眠期间，仅TPS22916、MAX31342和MAX16150会消耗电源系统的电力。

功能框图产品型号休眠模式电流(nA) (典型值)关断电流(nA) (典型值)RTCMAX313421506负载开关TPS229161010电池'保鲜'MAX161501010总系统电流(典型值)17026

在实验中，我们评估了两种先进解决方案在固定占空比下的电池使用寿命，比较了传统解决方案和使用MAX16163的改良方案的性能。

电池寿命可以用平均负载电流和电池容量来计算。

有效电流是指无线传感器节点处于激活状态时的系统电流。为比较这两种解决方案，我们假设系统每两小时唤醒一次，执行特定任务后进入休眠模式。系统有效电流为5 mA。电池寿命取决于运行的占空比。图5显示了占空比不同的两种方案的电池寿命图，占空比从0.005%到0.015%不等。

图5. 无线传感器节点的电池寿命与占空比的关系。

规格使用MAX31342、MAX16150和TPS22916的分立式解决方案使用MAX16163的集成式解决方案纽扣电池容量250 mAh250 mAh关断电流146 nA10 nA休眠电流170 nA30 nAIC数量3 (RTC + 负载开关+ 电池'保鲜')1 (MAX16163)晶体振荡器必需不需要解决方案尺寸130 mm2 (典型值)50 mm2 (典型值)

综上所述，本文探讨了在物联网器件快速增长的环境下对电池电量管理的关键作用。它表明了优化运输和休眠模式是提高电池效率的最佳途径之一。ADI公司的MAX16163解决方案有助于在设计中更加精确地控制这些功能。与传统方法相比，该解决方案将电池寿命延长了约20%（针对0.007%的典型占空比操作，如图5所示），并将解决方案尺寸减小至传统方案的60%。

审核郭婷

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