可視門鈴低功耗電路設計分析

導語：可視門鈴低功耗電路設計分析一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

隨著安防產業的快速發展，對視頻監控設備的應用方式提出了更多要求與挑戰，低功耗的電池可視門鈴設備便是其中的代表。之前的電池可視門鈴由于電源架構設計的不合理，導致待機時間不足，嚴重影響了用戶體驗以及產品推廣。本文提出了一種全新的電池可視門鈴電源架構，大幅度的降低了系統功耗，提高了電池的放電效率，進而對設備整體的待機時間有了很大的優化。

1引言

隨著物聯網的不斷發展，對視頻監控系統的安裝靈活性要求也在不斷提高，在這種背景下，市場對低功耗監控設備的需求也越來越強烈，電池可視門鈴便是其中需求較大的一種（秦海濤，一種電池供電的低功耗無人自動監測系統設計：測控技術，2015）。電池可視門鈴目前最大的難點在于如何提高設備的待機時間，本文以此為切入點，提出了一種全新的電源設計架構，可以大幅度的提高電池可視門鈴的待機時間。

2監控系統簡述

電池可視門鈴的產品形態目前有兩種，一種是門鈴+路由器（李源，電池供電低功耗無線網絡攝像機的設計：集成電路應用，2019），另一種是門鈴+中繼器+路由器。為了更好的控制可視門鈴休眠時的功耗以及減少路由器產生的兼容性問題，本產品采用門鈴+中繼器+路由器形態。當門鈴收到喚醒命令后，門鈴將采集到的視頻信息通過無線網絡傳輸給中繼器，中繼器通過有線或無線方式連接到路由器，路由器經由有線或無線網絡將視頻信息傳輸到云平臺進行人臉識別等處理后，用戶可以通過手機APP查詢相關視頻監控信息。整個監控系統的工作原理如圖1所示。

3硬件系統

按照工作狀態劃分，可視門鈴的硬件系統可分為兩個區域：常供電區域與休眠關機區域。常供電區域是指在休眠與工作狀態下均供電的區域，休眠關機區域是指只有在工作狀態下才供電的區域。具體硬件設計原理參見圖2。由圖2可知，在休眠狀態下，只有常供電區域進行供電，CPU，圖像傳感器以及其他外設電路的供電由PMU斷開。與此同時，MCU與WIFI分別進入休眠狀態。在工作狀態下，MCU和WIFI將由休眠模式進入正常工作模式，同時，MCU將打開PMU的供電——CPU、圖像傳感器以及相應外設將被供電。工作狀態主要分為三種，分別為PIR喚醒后的工作狀態、按鍵喚醒后的工作狀態以及網絡喚醒后的工作狀態。這三種狀態下的工作功耗會略有不同。上述硬件系統中，門鈴的CPU主要完成音視頻采集、編碼、網絡傳輸、錄像等功能，MCU主要完成設備待機時的PIR、按鍵、網絡喚醒等功能。在選用CPU時需關注CPU的工作穩定性以及工作時的功耗。在選用MCU時需注意MCU的工作功耗與休眠功耗，休眠功耗尤為重要。

4電源設計

門鈴的電源系統設計中，需要針對常供電區域與休眠關機區域的特點分別進行設計。4.1常供電區域。常供電區域的設計需要特別注意常供電區域DCDC電源芯片的選型。因為常供電區域大部分時間處于休眠狀態下，此時DCDC的供電負載非常小，所以在選型時需要特別注意DCDC電源芯片在輕載時的轉換效率。本產品設計中，常供電區域DCDC應用的是TI公司的輕載高效DCDC電源芯片TLV62568。在輸出電流為1mA，輸入電壓為5V，輸出電壓為3.3V時，效率估計在87%左右。同時，為了更直觀的體現該芯片的輕載高效特性，特別對比了其他幾款常用DCDC芯片的輕載效率，對比結果如下。4.2休眠斷電區域。為了能夠最大程度的提高鋰電池的放電效率，休眠關機區域的電源設計了升壓電路，同時采用了最低壓降（100%占空比）的PMU，具體電源設計如圖3所示。使用升壓電路方案時，還需注意以下相關事項：(1)在保證系統穩定性的同時，為最大限度的優化系統功耗與待機時間，在系統運行在工作模式下且電池電壓低于3.3V時，系統才會啟動升壓功能。(2)在系統處于休眠狀態時，MCU通過IO口關掉G2224升壓芯片，當插入適配器時，PMU默認為電池進行充電。(3)在升壓芯片工作時，MCU需要通過I2C總線關掉PMU的充電功能，當插入適配器時，PMU通過中斷通知MCU，MCU檢測到適配器插入后，打開PMU的充電功能，由適配器對電池進行充電。具體的控制流程如圖4所示。采用升壓方案能夠有效的提高鋰電池的放電效率，以NCR18650B為例，放電效率可由76%提高到95%以上。PMU的選型除了關注占空比，還需要關注PMU的漏電流、PMU各路DCDC電源的轉換效率、啟動與關閉時間、電量檢測功能等因素，這些因素都會對整機的休眠或工作功耗有影響。除了電源系統設計外，為降低系統功耗，還需要注意如下設計事項：(1)門鈴外設的選型，盡量選擇功耗低的器件；(2)能夠不放置在常供電區域的外設盡量不要放置到常供電區域；(3)系統不能存在漏電行為。

5結論

根據實際試驗數據與理論計算數據，電池可視門鈴在采用上述的電源系統后，純待機時間可由165天增加到290天，在白天和夜晚均工作100秒的情況下，待機時長可由95天增加到245天。綜上所述，這種全新的供電系統有效的優化了電池可視門鈴的待機時間，使門鈴產品的市場競爭力得到了巨大提高，同時，也對低功耗電池安防設備的推廣提供了強有力的支持。

作者:關志華 單位:安凱（廣州）微電子技術有限公司