“超省电”设备中的电源管理

图4  具有内建信号调节功能的环境光传感器
运行128位的AES加密逻辑花费54个周期，而在没有硬件加 速器的ARM Cortex-M0+处理器上运行同样的加密逻辑将花 费4000个周期，大约是具有硬件加密支持MCU的80倍。当 传感器节点在无线链路上接收或者发送数据时，这将对整体 功耗产生显著的影响。在IoT市场中，无线链路上的安全传 输需求正在增加。随着更加复杂的加密需求出现在无线网络 中，这种超省电型设备上电源管理的安全驱动的组成部分正 在变得越来越重要，并且对于开发人员进行硬件选择带来显 著的影响。
就可使用在我们节点示例中的传感器而言，许多传感 器选择都是可行的，从光、环境、到运动传感器。传感器的 选择最终是由你要测量什么而决定。在我们的例子中，我们 将选择环境光强度测量。有几个选项用于测量环境光，以分 立感测组件开始，它们可以被设计实现非常低的功耗，但是 这种方法把信号的调节和处理负担放到了MCU上。其结果
表1  RF协议之间的主要不同点
是MCU将需要在更长的时间周期内处于活动模式；更多外 设将保持活动状态，例如模数转换器（ADC）等，从而整 体系统功耗将会上升。可选的另一种选项是使用内建智能的 环境光传感器，如图4所示。
把信号调节内建到传感器中提供了一些显著优势。被 发送到MCU的数据将是可被应用快速且容易解释的相关数 据，这意味着MCU能够尽可能长的保持休眠状态。有预调 节过的数据发送到数字接口，例如SPI或者I2C，也意味着 MCU能够比使用自身ADC更有效的收集数据。虽然这个示 例中指定了环境光感测，但是许多其他传感器有类似的实现 方式，包括内建的智能且能提供数据给主机MCU，这些能 够即时的实现降低整体系统功耗的目标。
超低功耗型设备应用中最后的设计考虑是简化系统本 身供电。依赖于应用中使用的电池类型，如果需要比电池 所提供更多的电压或电流，通常需要升压转换器或者升压开 关调节器。例如，如果你正在使用1.5V单节纽扣电池，但是 需要为MCU产生3.3V供电，那么当考虑整体设备电源管理 时，你需要考虑支持这个功能。因此在这里的慎重选择可能
再次对系统的整体功耗产生重要影响。大多数可用的升压转换器消耗大约5-7μA电流， 但是如
果设备大多数时间处于休眠模式，那 么这将是一项沉重的负担。现在已经 有具有1μA功耗甚至低至150nA的升压 转换器（同时维持高升压效率）供选
择。对 于 更 复 杂 的 系 统 ， 考 虑 采 用 电源管理集成电路（PMIC）更精确 的控制整个系统是值得的。从单一电 源，你能够产生多个电压以驱动嵌入 式系统中的不同组成部分，调谐每一电压能够提供恰好的应 用所需，而没有任何能源浪费。例如，你能够单独的为系统 中的无线部分提供电源，这意味着无线部分能够在不使用时 完全的关闭（如果协议支持这种能力）。或者，如果你有支 持I/O和内核分别供电的MCU，你能够通过使用PMIC再次 获得最佳MCU能耗，并且也能够为应用中使用的传感器提
供单独的电源。
高品质的PMIC也将为一般系统控制提供额外的功能， 例如看门狗定时器和复位能力。PMIC不适合所有的应用， 部分原因是由于额外的成本，但是在可承受额外成本的应用 中，PMIC方式代表了超省电型应用中整体系统能耗管理的 极佳途径。
总之，在开发电池供电的超省电型应用中，有多种不 同的系统设计方面涉及其中。不仅仅是半导体器件选择和软 件整体设计，包括无线协议栈、加密和数据处理，都是重要 的考虑因素。每一种设计元素都能够显著的影响系统的总体 功耗预算，帮助你构建具有最大化电池有效使用寿命的超省 电型设备，这正是良好的IoT系统设计的关键所在。