在大多數IoT感測器節點應用中，最佳化船舶模式和睡眠模式是提高電池效率的最佳方法之一。本文比較在船舶模式或睡眠模式下，使用負載開關、RTC和外部按鈕控制器的傳統解決方案，與使用整合解決方案改進方案的特性，探討如何在物聯網（IoT）感測器節點應用中更好地實現節能。

在典型的物聯網（IoT）系統中，感測器節點大部分保持在睡眠模式或船舶模式，只有在需要資料獲取時才會切換到活動模式。為了更好地節能，我們需要改進物聯網睡眠模式或船舶模式下的電流，從而最大限度地延長電池壽命。

圖一 : 物聯網系統的典型拓撲圖

本文將主要對比在船舶模式或睡眠模式下，傳統解決方案（使用負載開關、RTC和外部按鈕控制器）與改進方案（使用整合解決方案），看看它們誰更省電。

船舶模式與睡眠模式

大多數情況下，感測器節點保持在睡眠模式或者船舶模式。我們先來瞭解一下這兩種模式：

船舶模式，可延長產品裝運階段的電池壽命。在船舶模式下，電池與系統其餘部分斷開電氣連接，以在產品閒置或未使用時將功率消耗降至最低。

在睡眠模式，系統的所有周邊元件要麼關閉，要麼以最低功率要求運行。物聯網裝置定期醒來，執行特定任務，然後返回睡眠模式。

透過禁用無線感測器節點的各種周邊元件，可以實現不同的睡眠模式。例如，在數據機睡眠中，僅禁用通訊區塊。在淺睡眠模式下，包括通訊區塊、感測器區塊和數位區塊在內的大多數區塊都被禁用；而在深睡眠模式中，無線感測器節點完全斷電。

在感測器節點中啟用深度睡眠模式可以最大化電池壽命；因此，最佳化深度休眠電流是提高整體電池壽命的唯一方法。

傳統節能解決方案：使用RTC、負載開關和外部按鈕控制器

以下是一個範例，其使用傳統解決方案來實現感測器節點的節能，包括採用了負載開關、RTC及外部按鈕控制器等功能模組。

圖二 : 傳統解決方案架構圖

傳統解決方案中，負載開關和RTC（Real-time clock；即時時鐘晶片）用於打開／關閉無線感測器節點。在這種方法中，只有負載開關和RTC同時作用，才能使無線節點處於活動狀態，從而將整體靜態電流降低到毫安培。這裡的睡眠時間可以透過無線感測器節點內的MCU程式設定。

外部按鈕控制器可以連接到負載開關，以啟用船舶模式功能。外部按鈕將退出船舶模式，並進入無線感測器節點正常操作模式。

小祕訣：外部按鈕控制器

外部按鈕控制器具有電池「保鮮密封（Battery Freshness Seal）」功能，它是一種微處理器監控電路的功能，外部按鈕控制器在VCC首次供電以前，斷開備份電池與任何下游電路的連接，如此能夠保證備份電池在電路板首次供電使用以前不會放電，因此可延長電池壽命。

圖三 : ADI的MAX16150 架構圖

改進的解決方案

在下個範例中，使用採用ADI MAX16163 / MAX16164的改進解決方案，該方案取代了傳統解決方案的負載開關、RTC和外部按鈕控制器。

圖四 : 使用MAX16163的改進解決方案

MAX16163 / MAX16164是類比裝置的奈米功率控制器，具有開／關控制器和可程式化的睡眠時間功能。這些元件改進了一個電源開關，用於對輸出進行選通，提供可達200mA的負載電流，以簡化BOM並降低成本。

無線感測器節點單元通過MAX16162 / MAX16163連接到電池。睡眠時間可由MCU程式設定，也可使用PB/SLP接地的外部電阻器或MCU的I2C命令設置，外部只加一個按鈕用於退出裝置的船舶模式。

解決方案的性能比較

兩種方案的性能比較取決於物聯網應用的占空比。在占空比較小的應用中，睡眠電流是衡量物聯網裝置運行時系統效率的指標，關機電流是衡量船舶模式功率消耗的指標。為了展示解決方案的模式，我們選擇具有極小靜態電流的RTC MAX31342、外部按鈕控制器MAX16150和微型負載開關TPS22916。

RTC使用I2C通訊程式設定，設置物聯網應用程式的睡眠時間，當計時器到期時，中斷訊號下拉MAX1615的PBIN接腳，其將輸出設置為高並接通負載開關。在睡眠期間，只有TPS22916、MAX31342和MAX16150消耗電力系統電源。