發布日期：2022-05-25 點擊率：59
一個電力線是不切實際的，因為它們的位置，而且即使可行，耗時和昂貴。
此外，維修和更換電池可能會大大減少商業案例。產品設計師需要無限延長電池壽命，或者尋找其他方法來為他們的設備供電。
本文將介紹如何分析一個產品的功耗，并優化其硬件和軟件，然后討論如何使用最新的能量收集技術來增加電池。
能源配置文件
設計人員需要檢查和優化的關鍵特性是其產品的能量配置。能源概況包括:
動態能量消耗:當設備醒著運行時所消耗的能量。
靜態能量消耗:設備睡覺時消耗的能量，不執行任何工作。
設計人員至少有三種可用的選擇，可用于延長電池壽命和最小化系統維護:
硬件能源優化
能源優化軟件
能量收獲
優化硬件:微控制器
對于許多設計師來說，能源優化將從硬件開始。為產品選擇正確的主動和被動元件將大大降低傳感器節點的能量配置。典型的無線傳感器節點的主要能源消費者包括:
微控制器
無線接口
傳感器和雜項集成電路。
電壓調節器
內存存儲設備
對于一個傳感器節點，主要的能源消耗者將是微控制器，因此它在設計的早期階段就成為一個重要的組成部分。
微控制器有許多不同的形狀、大小和架構，但是對于一個IoT連接的設備，從一個32位的ARM微控制器開始是一個不錯的選擇。這些微控制器很好地得到了多個制造商的支持，并且相對容易地開發出健壯的和可移植的軟件。它們的成本也可與許多8位或16位的零件相媲美，而且它們擁有強大的生態系統和社區。
雖然ARM微控制器在總體上是節能的，但設計者們還是希望把重點放在cortexm0 +家庭上，因為它的設計目的是盡量減少能源消耗。事實上,在他們最深的睡眠模式,大多數Cortex-M0 +部分將消耗1μA。
睡眠電流是很重要的，特別是在低負荷的應用程序中，但是在運行時也應該選擇低功率的設備。一個很好的例子是NXP KL02微控制器和kineti - l系列。NXP KL02是一個低針數部分，有14個可用的I/Os。這對于一個專門的傳感器節點來說是完美的，該節點需要采集一些傳感器并通過無線電進行通信。NXP KL02有4 kB的可用RAM和32 kB的編程空間。
傳感器節點需要更多的I/O和更多的RAM來存儲數據，甚至運行一個輕量級的實時操作系統(RTOS)，應該考慮STMicroelectronics的STM32L031K6T7。STM32L031K6T7有25個可用的I/O行，其中有8kb的RAM和32kb的閃存。
在選擇低功率微控制器時，以下是一些建議和標準:
最小化I/O引腳的數量。
減少內部外設的數量。
選擇Cortex-M0+家庭或等效組件。
檢查部件上是否包含一個低功耗計時器。
確保包含了DMA控制器。
優化硬件:內存和被動。
當涉及到選擇硬件組件時，微控制器并不是唯一可以成為能源消耗者的部分。延長電池壽命通常是通過觀察所有的小能源消費者，當他們加起來，變得相當可觀。
例如，一個使用EEPROM設備的設計，例如微芯片技術的25LC160A。25LC160A的讀取電流在數據表中指定為6 mA (5.5 V @ 10 MHz)，寫入電流為3 mA，寫入時間為5毫秒。更低的閱讀潮流,更新弗拉姆號芯片低至200μA(1 MHz)。在訪問外部內存時節省大約3個mA似乎并不多，但如果數據是在多年的時間內定期編寫和讀取的，那么儲蓄就會累積起來。寫入FRAM的時間也等于SPI總線傳輸時間。
除了主動部件外，設計師還應該檢查可能有泄漏電流的被動元件。這些通常包括二極管、電容和電阻。選擇被動元件的設計師應該記住:
鋁電容器因其泄漏電流高，應避免使用。
通過提高電容器的電壓等級可以降低泄漏電流。
在電壓調整器輸出上盡量減少容量。
盡量減少電容器的數量，因為每個電容器都有泄漏，它們可以迅速累積。
選擇最大的拉升電阻，以減少其泄漏電流。
避免分壓器電路
減少調整器的開關頻率。
優化低能耗軟件。
減少電子設備消耗的能量是優化傳感器節點的一個重要步驟。然而，為傳感器節點編寫的軟件也需要通過考慮系統中組件的電氣約束來提高效率。開發人員有許多可以利用的技術，以盡量減少系統的喚醒時間，并盡可能長時間地保持系統處于低功率模式。這些包括:
使用低功耗計時器喚醒。
編寫用于事件驅動的軟件。
使用最低能量模式。
利用DMA控制器
自治的外圍設備
使用這些技術的開發人員可以擁有高效的軟件，但仍然需要確定哪些軟件程序使用的是最多的能量。使用power monitor，比如IAR I-Jet I-Scope，可以幫助開發人員將代碼的功能和代碼行與系統中的能源消耗聯系起來。當與IAR I-Jet電路調試探針結合使用時，I-Scope可以測量系統周圍的電壓和電流點，同時調試器正在對程序計數器進行采樣。
程序計數器告訴調試環境在任何給定的函數中執行的代碼行是什么，然后調試環境將這一行與系統中的能源消耗聯系起來。然后開發人員會指出軟件中使用最多能量的區域，這樣他們就可以集中精力進行優化工作。
圖1:為了了解軟件如何影響能源消耗，將IAR I-Scope(顯示)連接到IAR I-Jet調試器，以采樣程序計數器和系統電壓和電流。(來源:凱利訊半導體)
一旦軟件組件被確定為具有高能源消耗，開發人員有許多可用的選擇來優化代碼，包括:
增加函數的優化級別。
優化速度而不是代碼大小。
重寫的代碼區域
用能量回收來增加電池儲存量。
在許多情況下，傳感器節點將以光的形式、溫差、壓力和運動的形式暴露在環境能量中。設計師可以利用這些附近的能源來增加電池和充電。例如，STMicroelectronics SPV1040太陽能電池充電器可以捕獲光直接驅動電路或給電池充電。
SPV1040可以將輸入電壓降至0.3 V，一直到5.5 V轉換為可用能量。SPV1040可以配置為最大電流為1.8安培，并包括反極性保護，以防太陽能電池安裝不當。
意法半導體的STeval-ISV006V2 eval工具允許設計師來測試SPV1040使用提供太陽能電池板的最大輸出功率200兆瓦(圖2)。5 W的SPV1040可以處理峰值功率,所以設計師可以換出的包括面板可以供應更多的電流。這個組件包括一個內置的超級電容器，可以用來給一個沒有電池的設備供電。設計師也可以很容易地更換超級電容器的可充電電池。
STMicroelectronics的STeval-ISV006V2 eval工具包的圖像。
圖2:SPV1040太陽能電池充電器的STMicroelectronics ' STeval-ISV006V2 eval kit配備了一個500兆瓦的太陽能電池板，可以用更大的功率將其換出。(來源:凱利訊半導體)
最終的低功率傳感器節點應用程序甚至不包括電池，而是使用能量收集技術為設備供電。
SPV1040可以用于應用程序獲得充足的光線,但是如果應用程序有一個的動能來源,如振動,設計師可能希望開始使用線性技術開發的DC1459B-A壓電能量收集裝備(圖3)。這是基于公司的LTC3588-1供電ICs。LTC3588-1允許設計人員將輸出電壓配置為1.8、2.5、3.3或3.6 V，這對于希望降低系統工作電壓的設計者來說是完美的。
線性技術的dc1459b圖像-壓電能量采集開發工具包。
圖3:線性技術的dc1459b -一個壓電式能量采集開發工具包，為LTC3588-1型電源供電，為開發人員提供了一個系統設計的測試平臺，該系統可以獲得諸如振動或運動等動能。(來源:凱利訊半導體)
結論
優化網絡連接傳感器節點的電池壽命不是一件小事。優化從選擇正確的硬件組件開始，然后是高效的代碼，最優地控制系統的整體能源使用，以延長電池的使用壽命。
雖然電池幾乎是在默認情況下使用，但隨著時間的推移，電池的保質期和能量損耗都有各自的問題。在適當的情況下，傳感器節點的最佳解決方案是利用獲得的環境能量供電。然后傳感器就可以提供IoT數據，幾乎不需要維護。
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