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。它依赖于设备的几乎所有规格（硬件和固件架构、大小、环境……）。这就是为什么必须在设计周期的早期就考虑功耗。

首先，工程师在定义其电池寿命目标的同时准确了解设备的用例至关重要。否则，它们可能无法达到市场预期。然后，他们可以考虑多种技术来优化其功耗。工程师需要遵守三个主要标准来选择最适合的解决方案：性能增益、成本和外形。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，它们被实施到由微控制器、传感器、无线电、线性稳压器和电池组成的基本物联网设备中。该设备的电池续航时间为 1 小时 30 分。一千个单位的成本约为 8 美元。下图中的原理图是使用仿真工具 Wisebatt 设计的。

图 1：Wisebatt 示意图

表现

促使任何设计更改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。应首先关闭未使用的外围设备，以最大程度地减少功耗和泄漏。事实上，小小的节省加起来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进。然而，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大量噪声。

图 2：降压稳压器

将另一个 LDO 稳压器添加到传感器或无线电等噪声敏感组件可以解决这个缺点。当无法使用降压稳压器时，拆分电源域有助于平衡散热和磨损水平。与单个电源域相比，初始电池寿命有望达到 1.5 倍。

图 3：LDO 稳压器

最后，一个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。它可以使电池寿命至少延长 10%（取决于设备的应用程序和关闭的组件）。

图 4：模拟

通过这些策略，可以显着降低功耗。但如果还不够，则应考虑使用更大的电池。仅当没有其他选项时才应进行此选择，因为这可能意味着产品特性发生重大变化。

成本

特定电源管理策略的选择还取决于其对设备最终价格的影响。事实上，设计的改变往往意味着额外的成本。例如，由于价格相对较高，在某些情况下可能会忽略添加降压稳压器的高效解决方案。

表 1：降压稳压器的成本

相反，关闭每个未使用外设的简单事实不仅提供了出色的结果，而且对最终预算几乎没有影响。

在此使用附加 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，但它是一种令人满意的低成本策略。

表 2：使用 LDO 的成本

最后，负载开关不仅易于实现，而且相当实惠。尽管电池寿命的收益比其他策略小，但它是大多数高端用例的必备条件。

表 3：其他组件的成本

显然，更大的电池选项最终将排在此列表的底部，因为它是最昂贵的选择。

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因素。它将或多或少地对决策过程产生重大影响。例如，这取决于可用的工程资源、项目的进展、设备的尺寸和重量限制等。

再一次，关闭外围设备显示出非常明显的优势。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。如果您需要添加负载开关，占用空间将非常小，任务非常简单，如下图所示。

图 5：Vishay SPI32431 负载开关的封装和布局

相反，选择更大的电池会增加设备的外形尺寸和占地面积，很有可能不得不重新设计机械外壳。然而，如果在设计周期的早期阶段进行这种修改，其影响可能很小。

一些解决方案需要添加无源器件，这会略微增加设计的复杂性，例如使用降压稳压器（六个额外的无源器件）或 LDO 稳压器（四个额外的无源器件）。这些技术会影响 PCB 占用空间（电感器有时可能比稳压器 IC 本身大）。

图 6：Analog Devices 的 LTC3406A 降压稳压器的占位面积和布局

这里总结一下本文介绍的电源管理策略。结果来自我的专业经验，以及在我们的模拟工具 Wisebatt 上进行的电池寿命估计。

图 7：总结

通过对用例的深入了解，工程师可以找到最适合的技术，涉及三个关键标准：性能、价格、外形。一个好的做法是通过模拟测试每个解决方案并观察其影响。从最初的开发步骤就完成了电池寿命估算，将防止将来进行任何不必要的设计修改。

　　审核编辑：汤梓红