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物聯網是一個寬泛的主題，這一點從名稱中“物”的巧妙運用就可以看出來。這讓對它某一特定方面的寫作變得有點棘手。下面我從硬件電源管理的角度來說說它的系統需求。 物聯網融合了兩個相反卻有相互聯系的技術進步： ·互聯網、互聯網基礎架構及其演進：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設備產生的大量未查數據（它們有個非常貼切的名字，叫做“大數據”）的載體； ·把日常物體從無感變得智能：通過內嵌的程序，物體可以從無感變得智能。比如，過去簡單的調溫器擁有了強大的處理器后就可以了解你的喜好，通過互聯網進行通信，長期以往就可以通過自動優化你的家庭能源消耗幫你省錢。隨著系統工程師不斷打破物聯網中“物體”的界限，有了這種互聯能力的調溫器、揚聲器、汽車和手表正變得越來越常見。這其中一個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網（IoT）中系統電源管理所需的幾個重要方面。 打造智能物體的生態系統 大多數智能物體都有（或將會有）一些關鍵的通用模塊，這些模塊可以大體分類如下:嵌入式處理器、內存、傳感器、連接、用戶界面。這些模塊通過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。 我們來設想一臺智能冰箱、一塊智能手表或一個智能音樂系統，可以很容易區分出這些物體的核心硬件含有上述幾個類別的模塊。公司正在競相開發能夠涵蓋生活方方面面、由各種智能互聯物體組成的系統。這有助于保證核心硬件的相似性，因為這樣可以讓開發變得更快且具有可擴展性，并有助于隨后的產品擴增。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重要。 智能物件的電源管理需求 傳統上，電源工程師的任務是設計出滿足下列條件的電源解決方案： ·高效：效率高非常重要，不僅有助于節能，而且還有助于熱量管理。 ·成本低、尺寸小：通過對電源轉換器的繁復設計可以輕松地實現高效。但工程師也需要對解決方案的成本進行優化。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和動態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起防護作用。在發生意外（如您的手機掉入了游泳池）或過熱等其他情況時，元件的損壞可能會導致故障產生。電源轉換器需要在這些故障事件發生時保護負載及其本身。 物聯網的硬件設計師需要從平臺的角度來思考電源管理。如之前談到的那樣，一個通用的平臺應可以進行微調來打造成多個智能物體的核心。 智能物件的電源管理解決方案需要具備以下幾個特性： ·靈活的通電定時和時序：不同軌道的啟動電壓需要根據處理器運行頻率、內存類型和外設類型進行調整。各軌道的定時和時序也需要根據使用情況進行調整。比如，移動電池驅動的系統可能會有浪涌電流限制，因此需要輸出電壓的壓擺率慢一些，時間跨度大一些。但這些限制就不適用于啟動越快越好的汽車系統。一般來說，電壓、時序和壓擺率都是通過外部電阻器和電容器控制的。 ·動態電壓調節：處理器所需電壓可以在低能耗、低頻率運行時降低。反過來說，在較活躍、處理器頻率需要提高時處理器電壓就需要提高。這就需要電源轉換器擁有即時改變輸出電壓的能力。電壓變化可以通過特定的針或利用I2C或SPI通信來實現。 ·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。進一步來說，如果電源管理解決方案能夠在故障發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，即在模溫超過特定閾值時就會強制關閉。但比起強制關閉來，如果IC能夠在達到關閉閾值前就報告給處理器就更好了。比如，如果IC的設計關閉溫度為140oC，它可以在模溫達到110 oC、120 oC和130 oC時通知處理器，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：智能物體大多數時間都處于低功率模式。活躍期短，非活躍期長。電源管理系統必須與處理器配合工作，優化自身操作模式，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。當環境溫度和模溫隨熱量提高時，能量會有損耗。溫度的升高會加速老化。考慮到智能物體需要運行2年到10至15年的時間，即使小幅升溫仍會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，這通常是通過外部電阻器和電容器實現的。但外部組件對靈活性無益。在智能物體方面，采用內部補償的電壓調節器會更好。 ·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器來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，可擴展性的需求不僅來自硬件也來自軟件。對于智能物體的開發，成本中有很大一部分是軟件開發成本。如果一個軟件驅動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）進行對比，考慮到物聯網整體系統電源的上述要求，天平顯然就會向電源管理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了先進的可配置性和可編程性，從而讓單個裝置只需通過簡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）內存用于存儲啟動電壓、定時、時序和調節器配置。這讓電源管理IC無需更改材料就可用于各種設計中。這一“先試后買”的特性讓工程師可以在對一次性可編程內存進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器。 |
