電池壽命是物聯網的核心挑戰之一。它依賴于設備的幾乎所有規格（硬件和固件架構、大小、環境……）。這就是為什么必須在設計周期的早期就考慮功耗。

首先，工程師在定義其電池壽命目標的同時準確了解設備的用例至關重要。否則，它們可能無法達到市場預期。然后，他們可以考慮多種技術來優化其功耗。工程師需要遵守三個主要標準來選擇最適合的解決方案：性能增益、成本和外形。Wisebatt 的首席執行官兼聯合創始人 Wilfried Dron 通過一些最常見的電源管理策略說明了這些標準。

為了準確比較這些技術，它們被實施到由微控制器、傳感器、無線電、線性穩壓器和電池組成的基本物聯網設備中。該設備的電池續航時間為 1 小時 30 分。一千個單位的成本約為 8 美元。下圖中的原理圖是使用仿真工具 Wisebatt 設計的。

圖 1：Wisebatt 示意圖

表現

促使任何設計更改的第一個標準是優化增益：每種策略可以實現多少額外的電池壽命？一些簡單的設計調整可以提供很好的結果。應首先關閉未使用的外圍設備，以最大程度地減少功耗和泄漏。事實上，小小的節省加起來可以將電池壽命延長至 2.5 倍。

降壓穩壓??器的使用可以導致類似的電池壽命改進。然而，降壓穩壓器可能無法適應所有用例，因為它們的開關頻率可能會在電源上引入大量噪聲。

圖 2：降壓穩壓器

將另一個 LDO 穩壓器添加到傳感器或無線電等噪聲敏感組件可以解決這個缺點。當無法使用降壓穩壓器時，拆分電源域有助于平衡散熱和磨損水平。與單個電源域相比，初始電池壽命有望達到 1.5 倍。

圖 3：LDO 穩壓器

最后，一個簡單的策略是使用負載開關來關閉系統中所有未使用的組件。它可以使電池壽命至少延長 10%（取決于設備的應用程序和關閉的組件）。

圖 4：模擬

通過這些策略，可以顯著降低功耗。但如果還不夠，則應考慮使用更大的電池。僅當沒有其他選項時才應進行此選擇，因為這可能意味著產品特性發生重大變化。

成本

特定電源管理策略的選擇還取決于其對設備最終價格的影響。事實上，設計的改變往往意味著額外的成本。例如，由于價格相對較高，在某些情況下可能會忽略添加降壓穩壓器的高效解決方案。

表 1：降壓穩壓器的成本

相反，關閉每個未使用外設的簡單事實不僅提供了出色的結果，而且對最終預算幾乎沒有影響。

在此使用附加 LDO 被證明是經濟上可行的選擇。雖然功耗的改善可能不那么顯著，但它是一種令人滿意的低成本策略。

表 2：使用 LDO 的成本

最后，負載開關不僅易于實現，而且相當實惠。盡管電池壽命的收益比其他策略小，但它是大多數高端用例的必備條件。

表 3：其他組件的成本

顯然，更大的電池選項最終將排在此列表的底部，因為它是最昂貴的選擇。

構成因素

影響電源管理技術選擇的最后一個標準是其外形因素。它將或多或少地對決策過程產生重大影響。例如，這取決于可用的工程資源、項目的進展、設備的尺寸和重量限制等。

再一次，關閉外圍設備顯示出非常明顯的優勢。這種簡單的技術可能需要重寫一些現有的軟件和驅動程序，但不需要任何硬件修改。如果您需要添加負載開關，占用空間將非常小，任務非常簡單，如下圖所示。

圖 5：Vishay SPI32431 負載開關的封裝和布局

相反，選擇更大的電池會增加設備的外形尺寸和占地面積，很有可能不得不重新設計機械外殼。然而，如果在設計周期的早期階段進行這種修改，其影響可能很小。

一些解決方案需要添加無源器件，這會略微增加設計的復雜性，例如使用降壓穩壓器（六個額外的無源器件）或 LDO 穩壓器（四個額外的無源器件）。這些技術會影響 PCB 占用空間（電感器有時可能比穩壓器 IC 本身大）。

圖 6：Analog Devices 的 LTC3406A 降壓穩壓器的占位面積和布局

這里總結一下本文介紹的電源管理策略。結果來自我的專業經驗，以及在我們的模擬工具 Wisebatt 上進行的電池壽命估計。

圖 7：總結

通過對用例的深入了解，工程師可以找到最適合的技術，涉及三個關鍵標準：性能、價格、外形。一個好的做法是通過模擬測試每個解決方案并觀察其影響。從最初的開發步驟就完成了電池壽命估算，將防止將來進行任何不必要的設計修改。

　　審核編輯：湯梓紅