【導(dǎo)讀】物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)寬泛的主題，這一點(diǎn)從名稱中“物”的巧妙運(yùn)用就可以看出來(lái)。這讓對(duì)它某一特定方面的寫(xiě)作變得有點(diǎn)棘手。下面我從硬件電源管理的角度來(lái)說(shuō)說(shuō)它的系統(tǒng)需求。
物聯(lián)網(wǎng)融合了兩個(gè)相反卻有相互聯(lián)系的技術(shù)進(jìn)步：
·互聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)架構(gòu)及其演進(jìn)：這種到目前為止連接端到端的通信方式正被演變成數(shù)十億互聯(lián)設(shè)備產(chǎn)生的大量未查數(shù)據(jù)（它們有個(gè)非常貼切的名字，叫做“大數(shù)據(jù)”）的載體；
·把日常物體從無(wú)感變得智能：通過(guò)內(nèi)嵌的程序，物體可以從無(wú)感變得智能。比如，過(guò)去簡(jiǎn)單的調(diào)溫器擁有了強(qiáng)大的處理器后就可以了解你的喜好，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信，長(zhǎng)期以往就可以通過(guò)自動(dòng)優(yōu)化你的家庭能源消耗幫你省錢(qián)。隨著系統(tǒng)工程師不斷打破物聯(lián)網(wǎng)中“物體”的界限，有了這種互聯(lián)能力的調(diào)溫器、揚(yáng)聲器、汽車和手表正變得越來(lái)越常見(jiàn)。這其中一個(gè)重要的需求就是靈活的電源管理能力。
本文將研究一下物聯(lián)網(wǎng)（IoT）中系統(tǒng)電源管理所需的幾個(gè)重要方面。
打造智能物體的生態(tài)系統(tǒng)
大多數(shù)智能物體都有（或?qū)?huì)有）一些關(guān)鍵的通用模塊，這些模塊可以大體分類如下:嵌入式處理器、內(nèi)存、傳感器、連接、用戶界面。這些模塊通過(guò)應(yīng)用軟件連接在一起，應(yīng)用軟件一般在操作系統(tǒng)的頂層運(yùn)行。
我們來(lái)設(shè)想一臺(tái)智能冰箱、一塊智能手表或一個(gè)智能音樂(lè)系統(tǒng)，可以很容易區(qū)分出這些物體的核心硬件含有上述幾個(gè)類別的模塊。公司正在競(jìng)相開(kāi)發(fā)能夠涵蓋生活方方面面、由各種智能互聯(lián)物體組成的系統(tǒng)。這有助于保證核心硬件的相似性，因?yàn)檫@樣可以讓開(kāi)發(fā)變得更快且具有可擴(kuò)展性，并有助于隨后的產(chǎn)品擴(kuò)增。硬件工程師可以設(shè)計(jì)出智能平臺(tái)，這種智能平臺(tái)只需對(duì)硬件和軟件進(jìn)行微調(diào)就可以炮制出各種智能物體。
因此，從電源管理的角度來(lái)看，擁有靈活可擴(kuò)展的、可以適應(yīng)各種智能系統(tǒng)的解決方案至關(guān)重要。
智能物件的電源管理需求
傳統(tǒng)上，電源工程師的任務(wù)是設(shè)計(jì)出滿足下列條件的電源解決方案：
·高效：效率高非常重要，不僅有助于節(jié)能，而且還有助于熱量管理。
·成本低、尺寸?。和ㄟ^(guò)對(duì)電源轉(zhuǎn)換器的繁復(fù)設(shè)計(jì)可以輕松地實(shí)現(xiàn)高效。但工程師也需要對(duì)解決方案的成本進(jìn)行優(yōu)化。電源裝置及電感器和電容器等組件需要設(shè)計(jì)成合適的尺寸，以實(shí)現(xiàn)效率、成本和尺寸之間的平衡。
·電壓精確度：負(fù)載（微處理器、內(nèi)存、外設(shè)等）有嚴(yán)格的電壓誤差要求。電源轉(zhuǎn)換器必須能夠在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的條件下將輸出電壓控制在可接受的誤差范圍內(nèi)。
·故障防護(hù)：電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)能夠在故障時(shí)起防護(hù)作用。在發(fā)生意外（如您的手機(jī)掉入了游泳池）或過(guò)熱等其他情況時(shí)，元件的損壞可能會(huì)導(dǎo)致故障產(chǎn)生。電源轉(zhuǎn)換器需要在這些故障事件發(fā)生時(shí)保護(hù)負(fù)載及其本身。
物聯(lián)網(wǎng)的硬件設(shè)計(jì)師需要從平臺(tái)的角度來(lái)思考電源管理。如之前談到的那樣，一個(gè)通用的平臺(tái)應(yīng)可以進(jìn)行微調(diào)來(lái)打造成多個(gè)智能物體的核心。
智能物件的電源管理解決方案需要具備以下幾個(gè)特性：
·靈活的通電定時(shí)和時(shí)序：
不同軌道的啟動(dòng)電壓需要根據(jù)處理器運(yùn)行頻率、內(nèi)存類型和外設(shè)類型進(jìn)行調(diào)整。各軌道的定時(shí)和時(shí)序也需要根據(jù)使用情況進(jìn)行調(diào)整。比如，移動(dòng)電池驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)可能會(huì)有浪涌電流限制，因此需要輸出電壓的壓擺率慢一些，時(shí)間跨度大一些。但這些限制就不適用于啟動(dòng)越快越好的汽車系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，電壓、時(shí)序和壓擺率都是通過(guò)外部電阻器和電容器控制的。
·動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)：
處理器所需電壓可以在低能耗、低頻率運(yùn)行時(shí)降低。反過(guò)來(lái)說(shuō)，在較活躍、處理器頻率需要提高時(shí)處理器電壓就需要提高。這就需要電源轉(zhuǎn)換器擁有即時(shí)改變輸出電壓的能力。電壓變化可以通過(guò)特定的針或利用I2C或SPI通信來(lái)實(shí)現(xiàn)。
·事件上報(bào)：
電源管理解決方案應(yīng)能夠監(jiān)控并向微處理器上報(bào)故障事件。進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，如果電源管理解決方案能夠在故障發(fā)生前提醒處理器就更好了。大多數(shù)電源IC都有熱切斷保護(hù)功能，即在模溫超過(guò)特定閾值時(shí)就會(huì)強(qiáng)制關(guān)閉。但比起強(qiáng)制關(guān)閉來(lái)，如果IC能夠在達(dá)到關(guān)閉閾值前就報(bào)告給處理器就更好了。比如，如果IC的設(shè)計(jì)關(guān)閉溫度為140oC，它可以在模溫達(dá)到110 oC、120 oC和130 oC時(shí)通知處理器，這樣處理器就可以適當(dāng)?shù)亟档碗娏ω?fù)荷，雖然性能有所降低，但可以讓用戶繼續(xù)使用設(shè)備。
·內(nèi)置低功耗模式和高輕載能效：
智能物體大多數(shù)時(shí)間都處于低功率模式?；钴S期短，非活躍期長(zhǎng)。電源管理系統(tǒng)必須與處理器配合工作，優(yōu)化自身操作模式，降低整體能量消耗。高輕載效率對(duì)于提升系統(tǒng)可靠性也非常重要。當(dāng)環(huán)境溫度和模溫隨熱量提高時(shí)，能量會(huì)有損耗。溫度的升高會(huì)加速老化?？紤]到智能物體需要運(yùn)行2年到10至15年的時(shí)間，即使小幅升溫仍會(huì)對(duì)壽命及可靠性有巨大的影響。
·內(nèi)部補(bǔ)償：
電壓調(diào)節(jié)器需要補(bǔ)償，這通常是通過(guò)外部電阻器和電容器實(shí)現(xiàn)的。但外部組件對(duì)靈活性無(wú)益。在智能物體方面，采用內(nèi)部補(bǔ)償?shù)碾妷赫{(diào)節(jié)器會(huì)更好。
·可擴(kuò)展性：四核處理器的電源需求與單核處理器不同。大多數(shù)智能物體都使用軟件驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制電源管理系統(tǒng)的處理器接口。在設(shè)計(jì)平臺(tái)電源解決方案時(shí)，可擴(kuò)展性的需求不僅來(lái)自硬件也來(lái)自軟件。對(duì)于智能物體的開(kāi)發(fā)，成本中有很大一部分是軟件開(kāi)發(fā)成本。如果一個(gè)軟件驅(qū)動(dòng)器可以用于一系列的電源管理解決方案（讀取通用的寄存器圖），那是很有益的。
如果把獨(dú)立的電源轉(zhuǎn)換器與電源管理IC（PMIC）進(jìn)行對(duì)比，考慮到物聯(lián)網(wǎng)整體系統(tǒng)電源的上述要求，天平顯然就會(huì)向電源管理IC傾斜。
Power fusion （PF）系列電源管理IC
飛思卡爾半導(dǎo)體公司的PF系列電源管理IC為系統(tǒng)級(jí)解決方案帶來(lái)了先進(jìn)的可配置性和可編程性，從而讓單個(gè)裝置只需通過(guò)簡(jiǎn)單的配置就可以為各種處理器和外設(shè)供電。這些PMIC針對(duì)內(nèi)部補(bǔ)償和調(diào)節(jié)器輸出電壓通過(guò)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器相比傳統(tǒng)的變換器需要外部電阻分壓器內(nèi)部控制。
圖展示了PF0300電源管理IC的高階模塊圖。其中一次性可編程（OTP）內(nèi)存用于存儲(chǔ)啟動(dòng)電壓、定時(shí)、時(shí)序和調(diào)節(jié)器配置。這讓電源管理IC無(wú)需更改材料就可用于各種設(shè)計(jì)中。這一“先試后買(mǎi)”的特性讓工程師可以在對(duì)一次性可編程內(nèi)存進(jìn)行編程前測(cè)試各種配置。
圖：PF3000電源管理IC模塊圖。
PF系列電源管理IC靈活性高，可完美適用于i.MX 6及i.MX 7 系列應(yīng)用處理器，由于PMIC有了一次性可編程內(nèi)存，因此它們可以廣泛用于各種處理器和系統(tǒng)。在許多i.MX 6及i.MX 7參考設(shè)計(jì)中均可見(jiàn)到這種電源管理IC ，這些參考設(shè)計(jì)都有對(duì)于處理各種電源模式所必要的軟件驅(qū)動(dòng)器。
