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物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)寬泛的主題，這一點(diǎn)從名稱(chēng)中“物”的巧妙運用就可以看出來(lái)。這讓對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)基礎架構及其演進(jìn)：這種到目前為止連接端到端的通信方式正被演變成數十億互聯(lián)設備產(chǎn)生的大量未查數據（它們有個(gè)非常貼切的名字，叫做“大數據”）的載體； ·把日常物體從無(wú)感變得智能：通過(guò)內嵌的程序，物體可以從無(wú)感變得智能。比如，過(guò)去簡(jiǎn)單的調溫器擁有了強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(cháng)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(zhù)系統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)能力的調溫器、揚聲器、汽車(chē)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 大多數智能物體都有（或將會(huì )有）一些關(guān)鍵的通用模塊，這些模塊可以大體分類(lèi)如下:嵌入式處理器、內存、傳感器、連接、用戶(hù)界面。這些模塊通過(guò)應用軟件連接在一起，應用軟件一般在操作系統的頂層運行。 我們來(lái)設想一臺智能冰箱、一塊智能手表或一個(gè)智能音樂(lè )系統，可以很容易區分出這些物體的核心硬件含有上述幾個(gè)類(lèi)別的模塊。公司正在競相開(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。這有助于保證核心硬件的相似性，因為這樣可以讓開(kāi)發(fā)變得更快且具有可擴展性，并有助于隨后的產(chǎn)品擴增。硬件工程師可以設計出智能平臺，這種智能平臺只需對硬件和軟件進(jìn)行微調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，擁有靈活可擴展的、可以適應各種智能系統的解決方案至關(guān)重要。 智能物件的電源管理需求 傳統上，電源工程師的任務(wù)是設計出滿(mǎn)足下列條件的電源解決方案： ·高效：效率高非常重要，不僅有助于節能，而且還有助于熱量管理。 ·成本低、尺寸�。和ㄟ^(guò)對電源轉換器的繁復設計可以輕松地實(shí)現高效。但工程師也需要對解決方案的成本進(jìn)行優(yōu)化。電源裝置及電感器和電容器等組件需要設計成合適的尺寸，以實(shí)現效率、成本和尺寸之間的平衡。 ·電壓精確度：負載（微處理器、內存、外設等）有嚴格的電壓誤差要求。電源轉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。 ·故障防護：電源轉換器應能夠在故障時(shí)起防護作用。在發(fā)生意外（如您的手機掉入了游泳池）或過(guò)熱等其他情況時(shí)，元件的損壞可能會(huì )導致故障產(chǎn)生。電源轉換器需要在這些故障事件發(fā)生時(shí)保護負載及其本身。 物聯(lián)網(wǎng)的硬件設計師需要從平臺的角度來(lái)思考電源管理。如之前談到的那樣，一個(gè)通用的平臺應可以進(jìn)行微調來(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)電壓需要根據處理器運行頻率、內存類(lèi)型和外設類(lèi)型進(jìn)行調整。各軌道的定時(shí)和時(shí)序也需要根據使用情況進(jìn)行調整。比如，移動(dòng)電池驅動(dòng)的系統可能會(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(chē)系統。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)電壓調節：處理器所需電壓可以在低能耗、低頻率運行時(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。 ·事件上報：電源管理解決方案應能夠監控并向微處理器上報故障事件。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。大多數電源IC都有熱切斷保護功能，即在模溫超過(guò)特定閾值時(shí)就會(huì )強制關(guān)閉。但比起強制關(guān)閉來(lái)，如果IC能夠在達到關(guān)閉閾值前就報告給處理器就更好了。比如，如果IC的設計關(guān)閉溫度為140oC，它可以在模溫達到110 oC、120 oC和130 oC時(shí)通知處理器，這樣處理器就可以適當地降低電力負荷，雖然性能有所降低，但可以讓用戶(hù)繼續使用設備。 ·內置低功耗模式和高輕載能效：智能物體大多數時(shí)間都處于低功率模式�；钴S期短，非活躍期長(cháng)。電源管理系統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。高輕載效率對于提升系統可靠性也非常重要。當環(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]到智能物體需要運行2年到10至15年的時(shí)間，即使小幅升溫仍會(huì )對壽命及可靠性有巨大的影響。 ·內部補償：電壓調節器需要補償，這通常是通過(guò)外部電阻器和電容器實(shí)現的。但外部組件對靈活性無(wú)益。在智能物體方面，采用內部補償的電壓調節器會(huì )更好。 ·可擴展性：四核處理器的電源需求與單核處理器不同。大多數智能物體都使用軟件驅動(dòng)器來(lái)控制電源管理系統的處理器接口。在設計平臺電源解決方案時(shí)，可擴展性的需求不僅來(lái)自硬件也來(lái)自軟件。對于智能物體的開(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。 如果把獨立的電源轉換器與電源管理IC（PMIC）進(jìn)行對比，考慮到物聯(lián)網(wǎng)整體系統電源的上述要求，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 飛思卡爾半導體公司的PF系列電源管理IC為系統級解決方案帶來(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供電。這些PMIC針對內部補償和調節器輸出電壓通過(guò)數字模擬轉換器相比傳統的變換器需要外部電阻分壓器內部控制。 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）內存用于存儲啟動(dòng)電壓、定時(shí)、時(shí)序和調節器配置。這讓電源管理IC無(wú)需更改材料就可用于各種設計中。這一“先試后買(mǎi)”的特性讓工程師可以在對一次性可編程內存進(jìn)行編程前測試各種配置。 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 系列應用處理器，由于PMIC有了一次性可編程內存，因此它們可以廣泛用于各種處理器和系統。在許多i.MX 6及i.MX 7參考設計中均可見(jiàn)到這種電源管理IC ，這些參考設計都有對于處理各種電源模式所必要的軟件驅動(dòng)器。 |
