【導讀】萬wan物wu互hu聯lian的de世shi界jie中zhong，物wu聯lian網wang發fa揮hui著zhe至zhi關guan重zhong要yao的de作zuo用yong
，它ta可ke以yi通tong過guo連lian接jie不bu同tong的de傳chuan感gan器qi節jie點dian將jiang數shu據ju傳chuan輸shu到dao安an全quan服fu務wu器qi。電dian源yuan管guan理li是shi提ti高gao物wu聯lian網wang應ying用yong效xiao率lv的de重zhong點dian環huan節jie之zhi一yi。

在大多數應用中
，傳感器節點（數據采集元件）多(duo)由(you)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)且(qie)均(jun)放(fang)置(zhi)在(zai)偏(pian)遠(yuan)的(de)區(qu)域(yu)。其(qi)中(zhong)，電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)取(qu)決(jue)於(yu)傳(chuan)感(gan)器(qi)節(jie)點(dian)設(she)計(ji)中(zhong)電(dian)源(yuan)策(ce)略(lve)的(de)效(xiao)率(lv)。通(tong)常(chang)
，傳(chuan)感(gan)器(qi)節(jie)點(dian)處(chu)於(yu)休(xiu)眠(mian)模(mo)式(shi)，隻(zhi)有(you)進(jin)行(xing)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)時(shi)才(cai)會(hui)切(qie)換(huan)到(dao)激(ji)活(huo)模(mo)式(shi)。因(yin)此(ci)這(zhe)些(xie)器(qi)件(jian)的(de)占(zhan)空(kong)比(bi)很(hen)低(di)。為(wei)了(le)盡(jin)可(ke)能(neng)延(yan)長(chang)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)，就(jiu)需(xu)要(yao)提(ti)升(sheng)物(wu)聯(lian)網(wang)應(ying)用(yong)中(zhong)休(xiu)眠(mian)電(dian)流(liu)的(de)性(xing)能(neng)。

物聯網器件中的電源管理

在典型的物聯網係統中（如圖1所示），無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)節(jie)點(dian)大(da)多(duo)由(you)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)

，因(yin)此(ci)
，其(qi)自(zi)身(shen)會(hui)受(shou)到(dao)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)的(de)限(xian)製(zhi)。電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)在(zai)延(yan)長(chang)傳(chuan)感(gan)器(qi)節(jie)點(dian)使(shi)用(yong)時(shi)間(jian)方(fang)麵(mian)起(qi)到(dao)了(le)關(guan)鍵(jian)作(zuo)用(yong)。在(zai)考(kao)慮(lv)如(ru)何(he)節(jie)省(sheng)傳(chuan)感(gan)器(qi)節(jie)點(dian)電(dian)力(li)時(shi)

，通(tong)常(chang)會(hui)涉(she)及(ji)占(zhan)空(kong)比(bi)這(zhe)個(ge)概(gai)念(nian)。 

圖1.物聯網係統的典型構建模塊

由於串音和空閑偵聽是造成傳感器節點能源浪費的主要來源，可以從以下三個不同的方麵來評估無線傳感器節點的耗電量：

●   傳感器

●   微控製器

●   無線電操作

傳感器采集溫度
、濕(shi)度(du)等(deng)原(yuan)始(shi)數(shu)據(ju)，並(bing)將(jiang)其(qi)發(fa)送(song)給(gei)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)。微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)負(fu)責(ze)處(chu)理(li)原(yuan)始(shi)數(shu)據(ju)，並(bing)通(tong)過(guo)無(wu)線(xian)鏈(lian)路(lu)將(jiang)這(zhe)些(xie)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)到(dao)雲(yun)端(duan)或(huo)數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)。然(ran)而(er)，由(you)於(yu)典(dian)型(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)應(ying)用(yong)運(yun)行(xing)時(shi)的(de)占(zhan)空(kong)比(bi)非(fei)常(chang)低(di)（從0.01%到1%不等），且大部分時間處於空閑狀態，因此，如果電源管理方案采用具有極低休眠電流的傳感器節點將有助於延長電池壽命。 

智能灌溉係統就屬於此類應用，係統裏麵的傳感器節點可測量土壤濕度且每小時僅收集一次數據。

運輸模式和休眠模式有什麼關鍵作用？

運輸模式和休眠模式是電池供電物聯網器件中常用的專業術語，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nanopowerzhuangtai，kezaichanpinyunshujieduanyanchangdianchishouming。zaiyunshumoshixia
，dianchiyuxitongqiyubufenduankailianjie


，yijinkenengjianshaochanpinxianzhihuobushiyongshidedianlixiaohao。yunshumoshiketongguoanniujiechu，yihuifuqijiandezhengchangyunxing。 

當dang器qi件jian處chu於yu激ji活huo狀zhuang態tai時shi，可ke使shi用yong休xiu眠mian模mo式shi來lai延yan長chang電dian池chi壽shou命ming。在zai休xiu眠mian模mo式shi下xia，係xi統tong所suo有you外wai設she要yao麼me關guan閉bi，要yao麼me以yi最zui低di功gong率lv要yao求qiu運yun行xing。物wu聯lian網wang器qi件jian會hui定ding期qi喚huan醒xing
，執zhi行xing特te定ding任ren務wu後hou重zhong回hui到dao休xiu眠mian模mo式shi。 

通tong過guo禁jin用yong無wu線xian傳chuan感gan器qi節jie點dian的de各ge種zhong外wai設she可ke以yi實shi現xian不bu同tong的de休xiu眠mian模mo式shi。例li如ru，在zai調tiao製zhi解jie調tiao器qi休xiu眠mian模mo式shi中zhong

，隻zhi有you通tong信xin模mo塊kuai會hui被bei禁jin用yong。在zai輕qing度du休xiu眠mian模mo式shi中zhong，大da多duo數shu模mo塊kuai被bei禁jin用yong（包括通信模塊
、傳感器模塊和數字模塊等）
，在深度休眠模式中
，無線傳感器節點電源完全關閉。 

在傳感器節點中啟用深度休眠模式可以最大限度延長電池壽命
；因此

，優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的占空比方法 

物(wu)聯(lian)網(wang)模(mo)塊(kuai)中(zhong)的(de)占(zhan)空(kong)比(bi)是(shi)啟(qi)用(yong)深(shen)度(du)休(xiu)眠(mian)模(mo)式(shi)的(de)常(chang)用(yong)方(fang)法(fa)之(zhi)一(yi)。當(dang)無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)節(jie)點(dian)處(chu)於(yu)深(shen)度(du)休(xiu)眠(mian)狀(zhuang)態(tai)時(shi)，大(da)多(duo)數(shu)外(wai)設(she)都(dou)處(chu)於(yu)電(dian)源(yuan)關(guan)閉(bi)或(huo)關(guan)機(ji)模(mo)式(shi)，此(ci)模(mo)式(shi)僅(jin)消(xiao)耗(hao)少(shao)量(liang)納(na)安(an)級(ji)電(dian)流(liu)。實(shi)時(shi)時(shi)鍾(zhong)(RTC)等計時器件會在編程設置的超時周期後喚醒物聯網模塊。 

如ru果guo使shi用yong這zhe種zhong方fang法fa
，微wei控kong製zhi器qi會hui在zai係xi統tong處chu於yu深shen度du休xiu眠mian模mo式shi時shi完wan全quan關guan閉bi。但dan是shi，在zai恢hui複fu之zhi後hou
，總zong會hui涉she及ji啟qi動dong時shi間jian，這zhe將jiang增zeng加jia不bu必bi要yao的de延yan遲chi。鑒jian於yu這zhe些xie利li弊bi得de失shi，所suo提ti出chu方fang法fa的de效xiao果guo取qu決jue於yu每mei個ge節jie點dian的de特te性xing和he應ying用yong的de占zhan空kong比bi。

深度休眠模式和運輸模式的傳統解決方案：使用RTC、負載開關和按鈕控製器

傳統解決方案通常使用負載開關和RTC來開/關無線傳感器節點的電源。使用這種方法時，隻有負載開關和RTC處於激活狀態，從而將總靜態電流減少到納安級。 

休(xiu)眠(mian)時(shi)間(jian)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)節(jie)點(dian)內(nei)的(de)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)進(jin)行(xing)編(bian)程(cheng)設(she)置(zhi)。外(wai)部(bu)按(an)鈕(niu)控(kong)製(zhi)器(qi)可(ke)以(yi)連(lian)接(jie)到(dao)負(fu)載(zai)開(kai)關(guan)以(yi)啟(qi)用(yong)運(yun)輸(shu)模(mo)式(shi)功(gong)能(neng)。外(wai)部(bu)按(an)鈕(niu)用(yong)於(yu)退(tui)出(chu)運(yun)輸(shu)模(mo)式(shi)，使(shi)無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)節(jie)點(dian)進(jin)入(ru)正(zheng)常(chang)運(yun)行(xing)模(mo)式(shi)。

圖2.分立式解決方案框圖

深度休眠和運輸模式改良方案

MAX16163/MAX16164是ADI公司的nanopower控製器，具有開/關控製器和可編程休眠時間特性。該器件集成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(freshness)”IC，以減少物料清單(BOM)的數量並降低成本。無線傳感器節點單元通過MAX16162/MAX16163連接到電池。休眠時間可通過微控製器進行編程設置，也可使用PB/SLP與地之間的外部電阻或使用微控製器的I2C命令來設置。外部按鈕用於退出器件的運輸模式。

圖3.使用MAX16163的集成解決方案

解決方案性能比較

兩(liang)種(zhong)方(fang)案(an)的(de)性(xing)能(neng)比(bi)較(jiao)結(jie)果(guo)取(qu)決(jue)於(yu)物(wu)聯(lian)網(wang)應(ying)用(yong)的(de)占(zhan)空(kong)比(bi)。對(dui)於(yu)占(zhan)空(kong)比(bi)小(xiao)的(de)應(ying)用(yong)，用(yong)休(xiu)眠(mian)電(dian)流(liu)來(lai)衡(heng)量(liang)物(wu)聯(lian)網(wang)器(qi)件(jian)運(yun)行(xing)時(shi)的(de)係(xi)統(tong)效(xiao)率(lv)，用(yong)關(guan)機(ji)電(dian)流(liu)來(lai)衡(heng)量(liang)運(yun)輸(shu)模(mo)式(shi)的(de)耗(hao)電(dian)量(liang)。為(wei)了(le)驗(yan)證(zheng)該(gai)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)模(mo)式(shi)，ADI選擇了靜態電流最小的RTC MAX31342
、電池“保鮮”密封MAX16150和小型負載開關TPS22916。RTC使用I2C通信進行編程，用於設置物聯網應用的休眠時間，當定時器過期時
，中斷信號會下拉MAX16150的PBIN引腳。MAX16150將OUT設置為高電平並打開負載開關。在休眠期間
，僅TPS22916、MAX31342和MAX16150會消耗電源係統的電力。

表1.傳統解決方案中不同模塊的電流消耗

圖4.分立式解決方案原理圖

在實驗中
，評估了兩種先進解決方案在固定占空比下的電池使用壽命
，比較了傳統解決方案和使用MAX16163的改良方案的性能。 

電池壽命可以用平均負載電流和電池容量來計算。 

平均負載電流可以用係統的占空比來計算。 

youxiaodianliushizhiwuxianchuanganqijiedianchuyujihuozhuangtaishidexitongdianliu。weibijiaozheliangzhongjiejuefangan，jiashexitongmeiliangxiaoshihuanxingyici，zhixingtedingrenwuhoujinruxiumianmoshi。xitongyouxiaodianliuwei5mA。電池壽命取決於運行的占空比。圖5顯示了占空比不同的兩種方案的電池壽命圖
，占空比從0.005%到0.015%不等。

圖5.無線傳感器節點的電池壽命與占空比的關係

表2.兩種不同解決方案的比較

綜zong上shang所suo述shu，本ben文wen探tan討tao了le在zai物wu聯lian網wang器qi件jian快kuai速su增zeng長chang的de環huan境jing下xia對dui電dian池chi電dian量liang管guan理li的de關guan鍵jian作zuo用yong。它ta表biao明ming了le優you化hua運yun輸shu和he休xiu眠mian模mo式shi是shi提ti高gao電dian池chi效xiao率lv的de最zui佳jia途tu徑jing之zhi一yi。ADI公司的MAX16163解決方案有助於在設計中更加精確地控製這些功能。與傳統方法相比

，該解決方案將電池壽命延長了約20%（針對0.007%的典型占空比操作，如圖5所示）
，並將解決方案尺寸減小至傳統方案的60%。

關於ADI公司

ADI是全球領先的高性能模擬技術公司，致力於解決最艱巨的工程設計挑戰。憑借傑出的檢測、測量
、電源、連接和解譯技術，搭建連接現實世界和數字世界的智能化橋梁，從而幫助客戶重新認識周圍的世界。詳情請瀏覽ADI官網www.analog.com/cn。

關於作者

Suryash Rai自2016年以來一直在ADI公司擔任應用工程師
，負責支持保護IC產品組合。他擁有卡納塔克邦國家技術學院的通信工程碩士學位。Suryash目前居住在加州聖何塞
，愛好烹飪
、旅行和交友。

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