面向智能设备的智能系统级电源管理

在本专栏中，我们将介绍系统级的功率控制，包括外部外设和稳压器的功率控制。前面我们探讨了使用高级电源模式和集成外设来优化功耗。在本专栏中，我们将介绍如何在系统级别控制电源，包括外部外设和稳压器的功率。

如上一篇专栏所述，1） 灵活且精细的电源模式，2） 能够在低功耗模式下运行且独立于 CPU 的专用外设，以及 3） 可编程模拟和数字逻辑有助于优化可编程片上系统 （PSoC） 的功耗。然而，在系统层面，还有额外的外围设备连接到PSoC，它们也会消耗电力并导致物联网节点的电池消耗。图 1 显示了一个示例。

图1.带外部外设的 PSoC

为了在系统级别优化功耗，还必须控制这些组件的功耗。许多外围设备（例如存储器和传感器）都带有在不需要使用时将其关闭的选项。这是通过标准通信接口使用“关断”引脚或命令完成的。但是，在某些情况下，这是不可能的。让我们以上一专栏中的示例为例 - 直流信号链，其中桥式传感器通过内部运算放大器与PSoC的ADC接口。桥式传感器是四个阻抗的无源集合。因此，它始终从基准电源获取电源，即使与其接口的外设关闭也是如此。但是，使用灵活的GPIO和内部逻辑对设计进行轻微修改即可解决此问题。

图2.使用 GPIO 为外部桥接传感器供电

如图 2 所示，该桥现在通过 GPIO 供电。这还提供了与ADC的模拟连接，用于测量电桥激励电压并对其进行补偿。当Pin_0处于逻辑高电平时，Pin_3处于逻辑低电平时，电桥将上电。当不再需要电桥测量时，除了关闭内部模块外，还可以通过在逻辑高阻抗状态下进行Pin_0和Pin_3来消除流过电桥传感器的电流。

并非所有外部外设都可以由 PSoC 供电，有些外设可能完全没有“关断”引脚或命令。这些外设连续从电源获取电力。在大多数情况下，电源将具有电源管理 IC （PMIC），该 IC 为 PSoC 和外部外设提供稳压电源。稳压器本身在工作时消耗功率。除了低功耗模式下内核的功耗外，外部外设和稳压器的空闲功耗决定了系统可以实现的最低功耗。为了获得最佳效率，请关闭稳压器。然后，系统可以进入“备份”域以维护内部实时时钟（RTC）并在外部事件（如按下按钮）时唤醒。图 3 显示了上一列修改为包含此状态的电源模式转换图。

图3.关闭外部稳压器

备份域使用由备用电源（如电池或超级电容器）提供的单独电源域增加了“始终开启”功能（参见图 4）。备份域包含一个具有报警功能的实时时钟 （RTC），由手表晶体振荡器 （WCO） 和 PMIC 控制提供支持。备用域的电源在主电源和备用电源之间自动切换。备用电源通常连接到独立电池，如纽扣电池或超级电容器。对于超级电容器，它在稳压器和系统其余部分处于活动状态时充电。

图4.备份域的详细信息

图5.备份域控制系统级功耗

当整个系统需要进入可实现的最低功耗状态时，系统可以指示PMIC关闭。PMIC、外部外设和内部外设（从备用电源运行的外设除外）关闭。系统可以使用以下两个选项之一从此状态唤醒 - 内部RTC报警事件或外部引脚输入。利用备份域可显著延长物联网系统的电池寿命，同时使能量收集等其他电源选项变得可行。

能量收集是从操作环境（如光、热和机械能）中获得能量的过程。从系统级的角度来看，能量收集可能是一种改变游戏规则的替代方案，而不是始终从电池中获取电力。当超低能耗系统需要少量功率时，能量收集是可行的。太阳能模块是最受欢迎的能量收集解决方案，因为它们随时可用、易于使用且成本低。然而，随着可穿戴设备（如智能鞋）暴露在运动中，压电和电磁动能收集变得有吸引力，因为它们可以在更高的电压下产生大量电力。在工业应用中，热电发电机是利用热量发电的绝佳选择。

虽然能量收集提供“免费”能源，但它需要精心设计的电子设备，以便从不同的能源为物联网节点提供恒定的供应。更重要的是，应尽量减少泄漏。利用备份域可使系统进入最小泄漏状态，仍能保持唤醒定时事件和外部输入的能力。

审核编辑：郭婷