探讨可用于优化物联网设计能耗的最新技术-电路图讲解-电子技术方案

在设计电池供电的物联网（IoT）设备时，主要目标是延长再充电之间的时间，或者在标准电池的情况下延长电池的使用寿命。有许多传统的方法，但缺乏完全优化设计所需的系统级视角。

为了最大限度地利用可用电池电量，物联网设备需要作为整个系统进行优化，而不是作为不相关组件的集合。本文将探讨可用于优化物联网设计能耗的最新技术和技术，以及如何最好地应用它们。

传统的能量测量方法

一般的嵌入式系统开发人员对优化系统的电池寿命并不陌生。在过去的美好时光中，开发人员通常会使用万用表（例如B＆K Precision BK2706）来测量嵌入式系统的电流消耗。这些都是很好的万用表，当然可以用来测量平均电流，但不会给开发人员提供他们需要的分辨率，以查看快速峰值，或者在没有相当大的努力的情况下测量微安范围内的电流消耗。为了看到这些快速转换，开发人员需要快速的事情，他们可以很容易地触发。

一个示波器，加上一个大小适合电流范围的分流电阻，可以用来查看这些快速电流转换。开发人员可能会使用B＆K Precision公司的BK2190。这是一款极好的低成本100 MHz示波器。开发人员当然可以触发示波器查看尖峰和转换，但在这个特定应用中使用示波器仍然存在一些挑战。

首先，大多数低成本示波器不允许开发人员轻松访问跟踪。其次，轨迹在其记录长度上受到限制。第三，示波器数据不能与嵌入式系统上发生的事件同步。考虑到所有这三个问题，开发人员可能会在项目时间表内尽力优化他们的物联网设备。因此，有效优化物联网设备的能源消耗需要一种新的更现代的方法。

使用智能电源优化能耗

物联网设备可以被优化的一种新的更现代化的方式是使用智能电源，该智能电源不仅向设备提供能量，而且还能够测量提供给该设备的电压和电流。智能电源可以看作是电源和数据采集系统的混合体。

Qoitech AB的 OTIi Arc就是其中一种电源。这是一款便携式电源，可用作电流和电压测量单元。它用于为能源配置需要优化的物联网设备供电。它通过USB将收集的数据传输到PC。OTIi Arc也可以通过USB供电。

图1：Qoitech AB公司的OTIi Arc是一款便携式电源，可用作电流和电压测量单元。（图片来源：Qoitech AB）

OTIi Arc可通过其otii软件包进行配置，提供0.5至5.0伏的电压。使用USB端口为Otii Arc供时，最大输出功率可达250毫安（mA）。对于大多数物联网设备来说，这将是绰绰有余的，但对于开发功耗更大的系统的开发人员，可以使用外部7.5伏特到9.0伏特的电源来实现高达2.5安培（A）的电流，并且具有最大峰值电流为5.0 A。Otii Arc 还可以以低至1微安（μA）的电流分辨率以高达4 Ksamples / s的速率进行采样，这对大多数物联网设备来说已经足够了。

使用Otii Arc

待测物联网设备（DUT）可以通过多种方式连接到Otii Arc。在第一种方法中，就像大多数电源一样，有两个香蕉插头用于为设备供电。这使得开发人员可以使用来自Pomona Electronics的12“红色香蕉电缆，用红色Pomona夹具提供电压轨。使用12“黑色波莫纳香蕉电缆和黑色波莫纳气爪来供应地面导轨。这是任何嵌入式系统工程师的工作台的标准设置。

第二种方法使用Otii Arc的14引脚扩展接头，引脚间距为0.100“。该扩展端口具有有用的连接，如用于测量电流的第二个模数转换器（ADC）通道，GPIO引脚以及串行发送和接收引脚信号。

图2：使用几乎每个电源上的标准香蕉插孔连接到Otii Arc。开发人员可以使用12“红色Pomona Electronics香蕉电缆和红色Pomona夹具将正电压轨连接到被测物联网设备。（图片来源：Pomona Electronics）

Qoitech Otii Arc配备了otii软件的标准许可证，该软件是一个可视化工具，与Otii Arc进行连接，以执行电流和电压测量并控制电源的行为。可视化用于分析能耗并确定系统的优化位置和方式。

otii软件通过USB连接电源，可用于启用和禁用电源电压或记录跟踪。跟踪时，开发人员可以看到提供易于导航的带状图类型视图的实时跟踪。开发人员可以在其踪迹中突出显示区域，并提供重要信息，如最小值，最大值和平均电流（图3）。

图3：使用Otii Arc的otii软件进行跟踪时，开发人员可以查看实时跟踪，该跟踪以条形图视图显示，很容易导航。（图片来源：Digi-Key Electronics）

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锂电池基础

锂电池是可充电电池，一般的锂电池充满电是4.2V也有其它电压的电池。锂电池容量是xxxmAh ，比如1000mAh ，即1000mA的供电电流可以用1小时。500mA供电能用2小时。依此类推。

锂电池的寿命和充电方式

是指完全充满放光的次数限制。

充电方式：快充，慢充，涓流充电，恒流充电等。

锂电池电路设计的注意问题：

锂电池过充，过放电都会影响电池的寿命。

注意锂电池的充电电压，充电电流。然后选取合适的充电芯片。

注意要防止锂电池的过充，过放，短路保护等问题。

设计过后要经过大量的测试。

锂电池充电电路的设计

这里选择了芯片TP4056为例子。根据所接电阻不同可以控制充电最大电流。可以设计充电指示灯，可以设计充电温度即多少到多少度之间进行充电。

充电保护电路，选择芯片DW01 和GTT8205的组合，可以做到短路保护，过充过放电的保护。

该电路主要由锂电池保护专用集成电路DW01，充、放电控制MOSFET1(内含两只N沟道MOSFET)等部分组成，单体锂电池接在B+和B-之间，电池组从P+和P-输出电压。充电时，充电器输出电压接在P+和P-之间，电流从P+到单体电池的B+和B-，再经过充电控制MOSFET到P-。在充电过程中，当单体电池的电压超过4.35V时，专用集成电路DW01的OC脚输出信号使充电控制MOSFET关断，锂电池立即停止充电，从而防止锂电池因过充电而损坏。放电过程中，当单体电池的电压降到2.30V时，DW01的OD脚输出信号使放电控制MOSFET关断，锂电池立即停止放电，从而防止锂电池因过放电而损坏，DW01的CS脚为电流检测脚，输出短路时，充放电控制MOSFET的导通压降剧增，CS脚电压迅速升高，DW01输出信号使充放电控制MOSFET迅速关断，从而实现过电流或短路保护。

锂电池的优势是什么?

1. 高的能量密度
2. 高的工作电压
3. 无记忆效应
4. 循环寿命长
5. 无污染
6. 重量轻
7. 自放电小

锂聚合物电池具有哪些优点?

1. 无电池漏液问题,其电池内部不含液态电解液,使用胶态的固体。
   2. 可制成薄型电池：以3.6V400mAh的容量，其厚度可薄至0.5mm。
   3. 电池可设计成多种形状
   4. 电池可弯曲变形：高分子电池最大可弯曲900左右
   5. 可制成单颗高电压：液态电解质的电池仅能以数颗电池串联得到高电压，高分子电池由于本身无液体，可在单颗内做成多层组合来达到高电压。
   7. 容量将比同样大小的锂离子电池高出一倍

   
   

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