智能設備三類應用的供電問題資料下載

隨著我們日常生活用品變得越來越智能，設???工程師需要找到解決此類設備供電問題的可行途徑。而在物聯網（IoT）產品設計中，往往在設計周期的最后階段才會考慮電源問題。本文探討三類應用的供電問題，以及低功耗微控制器在為聯網設備提供高效電源管理的重要性。 萬物皆智慧 并不是說您家的大門有大腦控制。但如果您家的大門有辦法說話，它一定有很多事情告訴您。它能告訴您門是開著的還是關著的、鎖了沒有；它還能告訴您外邊的天氣怎么樣；它能告訴您門外是誰。如果大門能夠聽懂您說話，則能???得更多：根據您的命令鎖門或開門、使您能夠與門外等候的人講話。 我們周圍的東西以及與之交互的東西都在變得智能，所以我們希望將其連接到互聯網。但目前許多東西沒有辦法分享其信息或聆聽我們的請求 —— 技術不足以支撐將任何擁有寶貴數據的東西都聯網，有可能不值得或不切實際。能夠為我們周圍事物帶來智慧的傳感器和執行器需要克服巨大的供電挑戰。比如，大門傳感器的供電問題將限制其普及；頻繁更換電池造成設備（或智能管理）不可用；大電池可能會壓垮許多應用...有誰希望家門口放置一個突兀的電池包？并且太陽能收集能量也不是始終可用的。 我們周圍充滿了隱形智慧，在等待激活。但我們必須首先搞清楚如何為智能設備供電。 圖1. 包括智能廚房器具在內的IoT設備往往需要高效供電才能發揮作用 什么是隱形智慧？ 許多有趣的物聯網（IoT）應用都遵循隱形智慧的原則。最好的技術隱藏于無形的設想，隱形智慧對于IoT應用具有特別的意義。 隱形智慧的第一條原則是，通過技術手段挖掘事物的智慧時，不應從根本上改變我們與之交互的方式。我們仍然在智能溫度監控器上設置溫度，但溫度監控器開始根據大量條件學習我們的喜好；我們仍然抬起手腕來看時間，但同時能夠看到其他更有意義的數據，供我們感興趣時進一步了解。 隱形智慧的第二條原則，我們應該注意不到智能設備與其對應的“傻瓜”版本之間的區別，所以我們稱其為隱形。加熱線圈被激活時，智能床會發出嗡嗡聲，這有悖于床的初衷；如果窗戶傳感器需要較大的電池，因此阻擋了外部的光線，就失去了窗戶的意義；如果自動百葉窗的電機個頭較大，就破壞了優美的風景。 隱形智慧的第三條原則是具備價值的數據。與“傻瓜”版本相比，具有隱形智慧的東西更昂貴。智能磚塊可能非常容易使用，并且不會改變您與之交互的方式或關于對磚塊的認識。但是，如果花重金購買從房子上掉下來時會向您發短消息的磚塊，真的具有投資回報（ROI）嗎？ 接下來我們討論隱形智慧的三條原則，以及與我們最初的問題：如何為IoT供電？ ● 交互：電池或其他能量收集不能影響設備的使用。需要搖動手柄才能操作智能溫度監控器？智能手表上的電池能把手臂壓彎？太陽能面板妨礙您操作智能鎖？我們不應只考慮這些電源帶來的物理障礙。畢竟，電池充電通常也不是我們與大多數設備交互的一部分。雖然可能必須為某些電池重復充電，但設計師應考慮我們與設備的自然交互。需要每天充電的智能門鈴不可能成為我們日常生活的必需品。 ● 設備外觀：這里我們考慮美觀和實用性?？紤]窗外美景窗戶傳感器的電池阻擋：人們會直接廢棄窗戶觸感器。如果因為電池的原因造成智能手環笨重，一旦新鮮勁過去，您可能就再也不用了。 ● 數據價值：與所有業務一樣，IoT設備存在固有的投入回報（ROI）問題，“回報”必須超過“投入”。不合理的能量收集電路可能增加較高成本，導致“投入”超過“回報”。電池更換也會提高“投入”，不僅包括電池成本，也包括客戶體驗等指標。 可穿戴設備引領潮流 IoT并不局限于某個片刻或某個市場，而是越來越多設備聯網的趨勢以及支撐這些設備的技術。我們已經能夠在大量設備部署中看到IoT的身影；智能電表和可穿戴健身設備是其中兩個非常流行的例子。就后者而言，我們已經看到有產品既成功解決供電問題，又成功展示了“隱形智慧”。 健身手表等商業上非常成功的可穿戴產品完全遵循以上三條原則。與傳統手表相比，我們與健身手表的正常交互方式沒有什么不同——我們仍然能夠一目了然地獲得所需的信息，盡管我們可能需要學習更多的復雜操作才能獲得額外的數據和特性。許多健身手表確實需要每天充電，但這與我們與手表的“正常交互”沒有太大區別——我們在晚上一般會摘下手表，并且充電（我們對手機就是這么做的），并不會真正破壞我們的交互。 健身手表在很大程度上保持了普通手表的外觀。得益于低功耗技術優勢，智能手表能夠提供更多特性和數據，且其尺寸不會超過傳統手表。 健身手表也不斷提供寶貴的數據。幾年之前，跑步者或騎車人知道跑出了多長距離就足夠了，但現在他們會計算卡路里、分析多個健康參數、識別多種不同的運動類型，并且與智能手機集成，實現即時通知。 除遵守隱形智慧的原則之外，健身手表也展示了IoT領域的另一趨勢：對數據的日益渴求。幾年前僅僅整合了GPS功能，現在則集成多個光傳感器來監測心率和脈搏血氧，運動傳感器填補了GPS無法工作時的空白，并可識別其他運動，以及高度計量等?？纱┐髟O備也擁有多種輸出數據的途徑：無線接口和彩色圖形屏幕代替了專用線纜連接和單色文字屏幕。 健身手表等可穿戴應用引領了新的潮流，我們看到大量聯網設備正在不斷地增加傳感器，幫助提供更多數據。但是越來越多的傳感器和越來越多的連接以及算法意味著更大功耗，需要更大的電池或頻繁的充電，這絕對不是好的解決方法。如何在看似不可能的情況下管理其功耗預算：在提供更多數據信息的同時有效延長設備工作時間？ 電源與現實世界 我們通?？紤]IoT應用的三個關鍵能力：檢測（或控制）、處理和通信。但往往忽略了供電問題。 許多IoT設備可插入市電——智能廚房器具或電動工具往往需要墻上電源插座。這種情況下的功耗可能不是問題，甚至開辟了更多的通信選項，例如電力線通信。但我們只有擺脫電源線并從沒有連線的無線供電設備獲得數據時，才能夠實現IoT的真正愿景——從任何地方獲得有價值的數據。 能量收集是非常好的想法，但由于收集能量的自然屬性，在可用范圍以外的可行性不太大。太陽能可以為許多應用產生充足能量，但有多少應用能夠在天氣變差時停工一天或一周？有多少應用能夠在晚上不工作？您可以利用可充電電池填補這些空白，但在一定程度上也失去了太陽能供電的價值。 事實上，大多數IoT應用都將依賴于某種形式的電池。即使使用能源收集，仍然需要可充電電池，許多應用還會依賴一次性電池，要么在電池使用壽命之后將設備廢棄，要么設備的價值足以值得更換電池。為了最大程度地延長設備壽命或兩次充電之間的時間間隔，設計工程師必須高效利用電池。 高效供電 大多數嵌入式應用使用多片IC，各個IC都需要電源。許多情況下，這些IC可能需要多路不同的電源。您有可能使用工作在1.8V、3.3V、1.2V供電的不同芯片，或需要多個不同電源軌的芯片。針對每路電源使用一個電池顯然沒有意義，工程師需要確定如何將單個電池電壓轉換為所需的多個電源軌。還需要了解實際電池的特性：例如，電池在整個壽命期間產生的電壓將發生變化，一般隨電池放電而降低。 可利用簡單、廉價的線性穩壓器將電池電壓轉換為必要的供電電壓。實際上，許多IC可能集成了線性穩壓器，以簡化外部電路設計。微控制器內部往往使用多路不同電壓。I/O引腳可能工作在3.3V，而處理器核可能工作在1.8V——這種情況下，微控制器可能使用線性穩壓器，工程師只需要為微控制器提供3.3V電壓，該電壓將在內部被穩定至1.8V。 盡管線性穩壓器能夠提供極低噪聲，這對于許多敏感的模擬電路至關重要，但由于線性穩壓器功耗較大，效率非常低。 一般會設計開關電源（SMPS），高效地為嵌入式應用供電。這些設計通常比較復雜，且成本更高。如果管理不合理，來自于開關元件的噪聲可能干擾其他電路。然而，與線性穩壓器相比，開關模式電源的優勢是電壓轉換效率可高達90%或更高。 這意味著什么？以某款微控制器為例，其工作電壓為1.8V，耗流為100μA @ 1MHz，系統供電電池為3.3V電壓。如果使用線性穩壓器，從3.3V穩定到1.8V，消耗一定比例的電流，盡管微控制器功耗為180μW，但線性穩壓器額外消耗了150μW。 圖2、線性穩壓器的功耗 圖3、開關穩壓器功耗 現在，假設在相同情況下使用效率為95%的SMPS。此時，微控制器的功耗仍然為180μW，但電源僅額外消耗9μW，總功耗為189μW，而非330μW。 考慮功率而非電流 大家都在談論節能話題。我們甚至愿意為較低功耗應用支付更多費用。供電公司根據我們使用的電量收取電費。沒有人關心設備消耗的電流是多少，因為如果不知道設備的工作電壓，這種衡量手段是沒有意義的。那么微控制器為什么采用每兆赫茲微安（μA/MHz）作為常見的效率指標呢？更合適的指標應為每兆赫茲微瓦（μW/MHz）。 考慮以下兩款微控制器：微控制器A工作在60μA/MHz，3.3V供電；微控制器B工作在100μA/MHz，1.2V供電。 圖4、功率 = 電流x電壓 我們不斷聽到說微控制器A更好，因為其耗流更小，僅為60μA/MHz，而非100μA/MHz。但是，如果考慮功耗（假設微控制器工作在1MHz），即使因為SMPS將效率提高了5%，微控制器B的功耗也遠遠小于微控制器A。 選擇低壓微控制器 有些產品可根據數據手冊的幾行數據（以及一定程度的驗證）來選擇功耗適當的產品。但微控制器則比較棘手——作為嵌入式系統的大腦，它可能是電池的用電大戶。并且也像大腦一樣，非常復雜，難以簡單地根據數據手冊的1-2行數據進行選擇。