物联网电源管理技术

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物联网是指通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术,实时采集任何需要监控、 连接、互动的物体或过程,采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息,通过各类可能的网络接入,实现物与物、物与人的泛在连接,实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。物联网是一个基于互联网、传统电信网等的信息承载体,它让所有能够被独立寻址的普通物理对象形成互联互通的网络。

物联网是一个宽泛的主题,这一点从名称中“物”的巧妙运用就可以看出来。这让对它某一特定方面的写作变得有点棘手。下面我从硬件电源管理的角度来说说它的系统需求。
物联网融合了两个相反却有相互联系的技术进步:
●互联网、互联网基础架构及其演进:这种到目前为止连接端到端的通信方式正被演变成数十亿互联设备产生的大量未查数据(它们有个非常贴切的名字,叫做“大数据”)的载体;
●把日常物体从无感变得智能:通过内嵌的程序,物体可以从无感变得智能。比如,过去简单的调温器拥有了强大的处理器后就可以了解你的喜好,通过互联网进行通信,长期以往就可以通过自动优化你的家庭能源消耗帮你省钱。随着系统工程师不断打破物联网中“物体”的界限,有了这种互联能力的调温器、扬声器、汽车和手表正变得越来越常见。这其中一个重要的需求就是灵活的电源管理能力。
本文将研究一下物联网(IoT)中系统电源管理所需的几个重要方面。


打造智能物体的生态系统
大多数智能物体都有(或将会有)一些关键的通用模块,这些模块可以大体分类如下:嵌入式处理器、内存、传感器、连接、用户界面。这些模块通过应用软件连接在一起,应用软件一般在操作系统的顶层运行。
我们来设想一台智能冰箱、一块智能手表或一个智能音乐系统,可以很容易区分出这些物体的核心硬件含有上述几个类别的模块。公司正在竞相开发能够涵盖生活方方面面、由各种智能互联物体组成的系统。这有助于保证核心硬件的相似性,因为这样可以让开发变得更快且具有可扩展性,并有助于随后的产品扩增。硬件工程师可以设计出智能平台,这种智能平台只需对硬件和软件进行微调就可以炮制出各种智能物体。
因此,从电源管理的角度来看,拥有灵活可扩展的、可以适应各种智能系统的解决方案至关重要。


智能物件的电源管理需求
传统上,电源工程师的任务是设计出满足下列条件的电源解决方案:
●高效:效率高非常重要,不仅有助于节能,而且还有助于热量管理。
●成本低、尺寸小:通过对电源转换器的繁复设计可以轻松地实现高效。但工程师也需要对解决方案的成本进行优化。电源装置及电感器和电容器等组件需要设计成合适的尺寸,以实现效率、成本和尺寸之间的平衡。
●电压精确度:负载(微处理器、内存、外设等)有严格的电压误差要求。电源转换器必须能够在静态和动态的条件下将输出电压控制在可接受的误差范围内。
●故障防护:电源转换器应能够在故障时起防护作用。在发生意外(如您的手机掉入了游泳池)或过热等其他情况时,元件的损坏可能会导致故障产生。电源转换器需要在这些故障事件发生时保护负载及其本身。
物联网的硬件设计师需要从平台的角度来思考电源管理。如之前谈到的那样,一个通用的平台应可以进行微调来打造成多个智能物体的核心。
智能物件的电源管理解决方案需要具备以下几个特性:
●灵活的通电定时和时序:不同轨道的启动电压需要根据处理器运行频率、内存类型和外设类型进行调整。各轨道的定时和时序也需要根据使用情况进行调整。比如,移动电池驱动的系统可能会有浪涌电流限制,因此需要输出电压的压摆率慢一些,时间跨度大一些。但这些限制就不适用于启动越快越好的汽车系统。一般来说,电压、时序和压摆率都是通过外部电阻器和电容器控制的。
●动态电压调节:处理器所需电压可以在低能耗、低频率运行时降低。反过来说,在较活跃、处理器频率需要提高时处理器电压就需要提高。这就需要电源转换器拥有即时改变输出电压的能力。电压变化可以通过特定的针或利用I2C或SPI通信来实现。
●事件上报:电源管理解决方案应能够监控并向微处理器上报故障事件。进一步来说,如果电源管理解决方案能够在故障发生前提醒处理器就更好了。大多数电源IC都有热切断保护功能,即在模温超过特定阈值时就会强制关闭。但比起强制关闭来,如果IC能够在达到关闭阈值前就报告给处理器就更好了。比如,如果IC的设计关闭温度为140oC,它可以在模温达到110oC、120oC和130oC时通知处理器,这样处理器就可以适当地降低电力负荷,虽然性能有所降低,但可以让用户继续使用设备。
●内置低功耗模式和高轻载能效:智能物体大多数时间都处于低功率模式。活跃期短,非活跃期长。电源管理系统必须与处理器配合工作,优化自身操作模式,降低整体能量消耗。高轻载效率对于提升系统可靠性也非常重要。当环境温度和模温随热量提高时,能量会有损耗。温度的升高会加速老化。考虑到智能物体需要运行2年到10至15年的时间,即使小幅升温仍会对寿命及可靠性有巨大的影响。
●内部补偿:电压调节器需要补偿,这通常是通过外部电阻器和电容器实现的。但外部组件对灵活性无益。在智能物体方面,采用内部补偿的电压调节器会更好。
●可扩展性:四核处理器的电源要求与单核处理器不同。大多数智能对象使用软件驱动程序来控制电源管理系统的处理器接口。在设计平台电源解决方案时,对可伸缩性的需求不仅来自硬件,还来自软件。对于智能物体的开发,很大一部分成本是软件开发成本。如果一个软件驱动程序可以用于一系列电源管理解决方案(读取通用寄存器图),这是非常有益的。

如果将独立电源转换器与电源管理IC(PMIC)进行比较,考虑到物联网整体系统电源的上述要求,平衡显然将向电源管理IC倾斜。

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