可视门铃低功耗电路设计分析

随着安防产业的快速发展，对视频监控设备的应用方式提出了更多要求与挑战，低功耗的电池可视门铃设备便是其中的代表。之前的电池可视门铃由于电源架构设计的不合理，导致待机时间不足，严重影响了用户体验以及产品推广。本文提出了一种全新的电池可视门铃电源架构，大幅度的降低了系统功耗，提高了电池的放电效率，进而对设备整体的待机时间有了很大的优化。

1引言

随着物联网的不断发展，对视频监控系统的安装灵活性要求也在不断提高，在这种背景下，市场对低功耗监控设备的需求也越来越强烈，电池可视门铃便是其中需求较大的一种（秦海涛，一种电池供电的低功耗无人自动监测系统设计：测控技术，2015）。电池可视门铃目前最大的难点在于如何提高设备的待机时间，本文以此为切入点，提出了一种全新的电源设计架构，可以大幅度的提高电池可视门铃的待机时间。

2监控系统简述

电池可视门铃的产品形态目前有两种，一种是门铃+路由器（李源，电池供电低功耗无线网络摄像机的设计：集成电路应用，2019），另一种是门铃+中继器+路由器。为了更好的控制可视门铃休眠时的功耗以及减少路由器产生的兼容性问题，本产品采用门铃+中继器+路由器形态。当门铃收到唤醒命令后，门铃将采集到的视频信息通过无线网络传输给中继器，中继器通过有线或无线方式连接到路由器，路由器经由有线或无线网络将视频信息传输到云平台进行人脸识别等处理后，用户可以通过手机APP查询相关视频监控信息。整个监控系统的工作原理如图1所示。

3硬件系统

按照工作状态划分，可视门铃的硬件系统可分为两个区域：常供电区域与休眠关机区域。常供电区域是指在休眠与工作状态下均供电的区域，休眠关机区域是指只有在工作状态下才供电的区域。具体硬件设计原理参见图2。由图2可知，在休眠状态下，只有常供电区域进行供电，CPU，图像传感器以及其他外设电路的供电由PMU断开。与此同时，MCU与WIFI分别进入休眠状态。在工作状态下，MCU和WIFI将由休眠模式进入正常工作模式，同时，MCU将打开PMU的供电——CPU、图像传感器以及相应外设将被供电。工作状态主要分为三种，分别为PIR唤醒后的工作状态、按键唤醒后的工作状态以及网络唤醒后的工作状态。这三种状态下的工作功耗会略有不同。上述硬件系统中，门铃的CPU主要完成音视频采集、编码、网络传输、录像等功能，MCU主要完成设备待机时的PIR、按键、网络唤醒等功能。在选用CPU时需关注CPU的工作稳定性以及工作时的功耗。在选用MCU时需注意MCU的工作功耗与休眠功耗，休眠功耗尤为重要。

4电源设计

门铃的电源系统设计中，需要针对常供电区域与休眠关机区域的特点分别进行设计。4.1常供电区域。常供电区域的设计需要特别注意常供电区域DCDC电源芯片的选型。因为常供电区域大部分时间处于休眠状态下，此时DCDC的供电负载非常小，所以在选型时需要特别注意DCDC电源芯片在轻载时的转换效率。本产品设计中，常供电区域DCDC应用的是TI公司的轻载高效DCDC电源芯片TLV62568。在输出电流为1mA，输入电压为5V，输出电压为3.3V时，效率估计在87%左右。同时，为了更直观的体现该芯片的轻载高效特性，特别对比了其他几款常用DCDC芯片的轻载效率，对比结果如下。4.2休眠断电区域。为了能够最大程度的提高锂电池的放电效率，休眠关机区域的电源设计了升压电路，同时采用了最低压降（100%占空比）的PMU，具体电源设计如图3所示。使用升压电路方案时，还需注意以下相关事项：(1)在保证系统稳定性的同时，为最大限度的优化系统功耗与待机时间，在系统运行在工作模式下且电池电压低于3.3V时，系统才会启动升压功能。(2)在系统处于休眠状态时，MCU通过IO口关掉G2224升压芯片，当插入适配器时，PMU默认为电池进行充电。(3)在升压芯片工作时，MCU需要通过I2C总线关掉PMU的充电功能，当插入适配器时，PMU通过中断通知MCU，MCU检测到适配器插入后，打开PMU的充电功能，由适配器对电池进行充电。具体的控制流程如图4所示。采用升压方案能够有效的提高锂电池的放电效率，以NCR18650B为例，放电效率可由76%提高到95%以上。PMU的选型除了关注占空比，还需要关注PMU的漏电流、PMU各路DCDC电源的转换效率、启动与关闭时间、电量检测功能等因素，这些因素都会对整机的休眠或工作功耗有影响。除了电源系统设计外，为降低系统功耗，还需要注意如下设计事项：(1)门铃外设的选型，尽量选择功耗低的器件；(2)能够不放置在常供电区域的外设尽量不要放置到常供电区域；(3)系统不能存在漏电行为。

5结论

根据实际试验数据与理论计算数据，电池可视门铃在采用上述的电源系统后，纯待机时间可由165天增加到290天，在白天和夜晚均工作100秒的情况下，待机时长可由95天增加到245天。综上所述，这种全新的供电系统有效的优化了电池可视门铃的待机时间，使门铃产品的市场竞争力得到了巨大提高，同时，也对低功耗电池安防设备的推广提供了强有力的支持。

作者:关志华 单位:安凯（广州）微电子技术有限公司