在本專欄中，我們將介紹系統(tǒng)級的功率控制，包括外部外設(shè)和穩(wěn)壓器的功率控制。前面我們探討了使用高級電源模式和集成外設(shè)來優(yōu)化功耗。在本專欄中，我們將介紹如何在系統(tǒng)級別控制電源，包括外部外設(shè)和穩(wěn)壓器的功率。

如上一篇專欄所述，1） 靈活且精細的電源模式，2） 能夠在低功耗模式下運行且獨立于 CPU 的專用外設(shè)，以及 3） 可編程模擬和數(shù)字邏輯有助于優(yōu)化可編程片上系統(tǒng) （PSoC） 的功耗。然而，在系統(tǒng)層面，還有額外的外圍設(shè)備連接到PSoC，它們也會消耗電力并導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的電池消耗。圖 1 顯示了一個示例。

圖1.帶外部外設(shè)的 PSoC

為了在系統(tǒng)級別優(yōu)化功耗，還必須控制這些組件的功耗。許多外圍設(shè)備（例如存儲器和傳感器）都帶有在不需要使用時將其關(guān)閉的選項。這是通過標準通信接口使用“關(guān)斷”引腳或命令完成的。但是，在某些情況下，這是不可能的。讓我們以上一專欄中的示例為例 - 直流信號鏈，其中橋式傳感器通過內(nèi)部運算放大器與PSoC的ADC接口。橋式傳感器是四個阻抗的無源集合。因此，它始終從基準電源獲取電源，即使與其接口的外設(shè)關(guān)閉也是如此。但是，使用靈活的GPIO和內(nèi)部邏輯對設(shè)計進行輕微修改即可解決此問題。

圖2.使用 GPIO 為外部橋接傳感器供電

如圖 2 所示，該橋現(xiàn)在通過 GPIO 供電。這還提供了與ADC的模擬連接，用于測量電橋激勵電壓并對其進行補償。當Pin_0處于邏輯高電平時，Pin_3處于邏輯低電平時，電橋?qū)⑸想?。當不再需要電橋測量時，除了關(guān)閉內(nèi)部模塊外，還可以通過在邏輯高阻抗狀態(tài)下進行Pin_0和Pin_3來消除流過電橋傳感器的電流。

并非所有外部外設(shè)都可以由 PSoC 供電，有些外設(shè)可能完全沒有“關(guān)斷”引腳或命令。這些外設(shè)連續(xù)從電源獲取電力。在大多數(shù)情況下，電源將具有電源管理 IC （PMIC），該 IC 為 PSoC 和外部外設(shè)提供穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓器本身在工作時消耗功率。除了低功耗模式下內(nèi)核的功耗外，外部外設(shè)和穩(wěn)壓器的空閑功耗決定了系統(tǒng)可以實現(xiàn)的最低功耗。為了獲得最佳效率，請關(guān)閉穩(wěn)壓器。然后，系統(tǒng)可以進入“備份”域以維護內(nèi)部實時時鐘（RTC）并在外部事件（如按下按鈕）時喚醒。圖 3 顯示了上一列修改為包含此狀態(tài)的電源模式轉(zhuǎn)換圖。

圖3.關(guān)閉外部穩(wěn)壓器

備份域使用由備用電源（如電池或超級電容器）提供的單獨電源域增加了“始終開啟”功能（參見圖 4）。備份域包含一個具有報警功能的實時時鐘 （RTC），由手表晶體振蕩器 （WCO） 和 PMIC 控制提供支持。備用域的電源在主電源和備用電源之間自動切換。備用電源通常連接到獨立電池，如紐扣電池或超級電容器。對于超級電容器，它在穩(wěn)壓器和系統(tǒng)其余部分處于活動狀態(tài)時充電。

圖4.備份域的詳細信息

圖5.備份域控制系統(tǒng)級功耗

當整個系統(tǒng)需要進入可實現(xiàn)的最低功耗狀態(tài)時，系統(tǒng)可以指示PMIC關(guān)閉。PMIC、外部外設(shè)和內(nèi)部外設(shè)（從備用電源運行的外設(shè)除外）關(guān)閉。系統(tǒng)可以使用以下兩個選項之一從此狀態(tài)喚醒 - 內(nèi)部RTC報警事件或外部引腳輸入。利用備份域可顯著延長物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的電池壽命，同時使能量收集等其他電源選項變得可行。

能量收集是從操作環(huán)境（如光、熱和機械能）中獲得能量的過程。從系統(tǒng)級的角度來看，能量收集可能是一種改變游戲規(guī)則的替代方案，而不是始終從電池中獲取電力。當超低能耗系統(tǒng)需要少量功率時，能量收集是可行的。太陽能模塊是最受歡迎的能量收集解決方案，因為它們隨時可用、易于使用且成本低。然而，隨著可穿戴設(shè)備（如智能鞋）暴露在運動中，壓電和電磁動能收集變得有吸引力，因為它們可以在更高的電壓下產(chǎn)生大量電力。在工業(yè)應(yīng)用中，熱電發(fā)電機是利用熱量發(fā)電的絕佳選擇。

雖然能量收集提供“免費”能源，但它需要精心設(shè)計的電子設(shè)備，以便從不同的能源為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點提供恒定的供應(yīng)。更重要的是，應(yīng)盡量減少泄漏。利用備份域可使系統(tǒng)進入最小泄漏狀態(tài)，仍能保持喚醒定時事件和外部輸入的能力。

審核編輯：郭婷