如何选择正确的电源管理策略

电池寿命是物联网的核心挑战之一。它几乎依赖于设备的每个规格（硬件和固件体系结构，大小，环境等）。这就是为什么必须在设计周期的早期就考虑功耗的原因。

首先，对于工程师而言，在定义其电池寿命目标时准确了解该设备的用例至关重要。否则，它们可能无法满足市场期望。然后，他们可以考虑几种技术来优化其功耗。工程师需要遵循三个主要标准来选择最合适的解决方案：性能增益，成本和外形尺寸。Wisebatt的首席执行官兼联合创始人Wilfried Dron通过一些最常见的电源管理策略说明了这些标准。

为了准确比较这些技术，将它们实施在基本的IOT设备上，该设备由微控制器，传感器，无线电，线性稳压器和电池组成。该设备的电池续航时间为1h30。一千个单位的成本约为8美元。下图中的示意图是使用仿真工具Wisebatt设计的。

图1：Wisebatt原理图

表现

促使任何设计变更的第一个标准是优化增益：每种策略可以实现多少额外的电池寿命？一些简单的设计调整可以提供很好的结果。首先应关闭未使用的外围设备电源，以最大程度地降低功耗和泄漏。实际上，少量的节省就可以将电池寿命延长至2.5倍。

降压稳压​​器的使用可以导致类似的电池寿命改善。但是，降压稳压器可能无法适应所有用例，因为它们的开关频率可能会在电源上引入很多噪声。

图2：降压稳压器

在对噪声敏感的组件（例如传感器或无线电）中添加另一个LDO稳压器可以解决此问题。当无法使用降压稳压器时，分开电源域有助于平衡散热和磨损水平。与单个电源域相比，可以预期达到初始电池寿命的1.5倍。

图3：LDO稳压器

最后，一种简单的策略是使用负载开关来关闭系统中所有未使用的组件。至少可以增加+ 10％的电池寿命（取决于设备的应用和关闭的组件）。

图4：模拟

通过这些策略，可以显着降低功耗。但是，如果这还不够的话，应该考虑使用更大的电池。仅当没有其他选择可能时才应做出此选择，因为这可能意味着产品特性的重大变化。

成本

具体电源管理策略的选择还取决于其对设备最终价格的影响。实际上，设计变更通常意味着额外的成本。例如，包含降压稳压器的高效解决方案在某些情况下可能会因为其相对较高的价格而被忽略。

表1：降压稳压器的成本

相反，关闭每个未使用的外围设备电源的简单事实不仅提供了出色的结果，而且几乎对最终预算没有任何影响。

在这里，使用附加的LDO被证明是经济上可行的选择。虽然功耗的改善可能不那么显着，但这是一种令人满意的低成本策略。

表2：LDO的成本

最后，负载切换不仅易于实现，而且价格合理。尽管电池续航时间比其他策略要短，但是对于大多数高端用例来说，这是必不可少的。

表3：其他组件的成本

显然，较大的电池选项将排在该列表的底部，因为这将是最昂贵的选择。

构成因素

影响电源管理技术选择的最后一个标准是其外形尺寸。这将对决策过程产生或多或少的重大影响。例如，它取决于可用的工程资源，项目的进度，设备的尺寸和重量限制等。

再说一次，关闭外围设备电源将显示出明显的优势。这种简单的技术可能需要重写一些现有的软件和驱动程序，但不需要任何硬件修改。如果需要添加负载开关，则占用空间非常小，任务非常简单，如下图所示。

图5：Vishay的SPI32431负载开关的尺寸和布局

相反，选择更大的电池将增加设备的外形尺寸和占地面积，并且很有可能需要重新设计机械外壳。但是，如果在设计周期的早期阶段进行此修改，则影响可能很小。

某些解决方案需要添加无源器件，这对于降压稳压器（六个附加无源器件）或LDO稳压器（四个附加无源器件）的使用会稍微增加设计的复杂性。这些技术将影响PCB的占位面积（电感器有时可能比稳压器IC本身大）。

图6：ADI公司LTC3406A降压稳压器的尺寸和布局

这是本文介绍的电源管理策略的总结。结果来自于我的专业经验，以及在我们的仿真工具Wisebatt上进行的电池寿命估算。

图7：总结

在充分了解用例的基础上，工程师可以根据三个关键标准找到最适合的技术：性能，价格，外形尺寸。良好的做法是测试每个解决方案并通过模拟观察其影响。从最初的开发步骤开始就正确估算电池寿命，这将防止将来进行任何不必要的设计修改。