對(duì)于零功耗無(wú)線(xiàn)傳感器的設(shè)計(jì)方案

　　“零功率”無(wú)線(xiàn)傳感器由環(huán)境能量供電，幾乎在每個(gè)細(xì)分市場(chǎng)都有應(yīng)用。但是，工程師必須格外小心地管理微量能量收集可用的有限功率預(yù)算。通過(guò)將超低功耗 MCU 和 RF IC 與高效電源轉(zhuǎn)換設(shè)備相結(jié)合，工程師可以創(chuàng)建無(wú)需更換電池即可運(yùn)行的無(wú)線(xiàn)傳感器，以延長(zhǎng)系統(tǒng)組件的有效使用壽命。為了設(shè)計(jì)這些高效系統(tǒng)，工程師可以利用來(lái)自 Cymbet、Linear Technology、 Maxim Integrated Products、Microchip Technology、Silicon Labs和Texas Instruments等制造商的超低功耗器件和專(zhuān)用 IC 。

　　除了適用于光、熱、振動(dòng)或射頻能量的傳感器外，零功率無(wú)線(xiàn)傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常還包括功率轉(zhuǎn)換和管理單元、微控制器、射頻無(wú)線(xiàn)電和應(yīng)用傳感器（圖 1）。在運(yùn)行中，系統(tǒng)將微弱的幾微瓦環(huán)境能量轉(zhuǎn)換為足夠的功率，以允許系統(tǒng)定期喚醒、收集應(yīng)用傳感器數(shù)據(jù)、執(zhí)行所需的傳感器信號(hào)處理和數(shù)據(jù)格式化，并最終傳輸結(jié)果。

　　圖 1：典型的零功耗無(wú)線(xiàn)傳感器結(jié)合了能量傳感器、能量處理能力、MCU、RF 無(wú)線(xiàn)電和應(yīng)用傳感器（Cymbet 提供）。

　　典型的無(wú)線(xiàn)傳感器應(yīng)用將需要幾百毫秒或更短的時(shí)間來(lái)完成傳感器數(shù)據(jù)收集和傳輸事件。對(duì)于監(jiān)控現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)程的大多數(shù)應(yīng)用程序，傳感器事件可能每隔幾分鐘而不是每隔幾秒發(fā)生一次。因此，無(wú)線(xiàn)傳感器表現(xiàn)出一種活動(dòng)配置文件，其特點(diǎn)是長(zhǎng)時(shí)間的靜止?fàn)顟B(tài)會(huì)被活動(dòng)突發(fā)周期性地中斷（圖 2，另請(qǐng)參見(jiàn) TechZone 文章“超低功耗 MCU 實(shí)現(xiàn)能量收集設(shè)計(jì)”）。

　　圖 2：典型無(wú)線(xiàn)傳感器的活動(dòng)配置文件表現(xiàn)出較長(zhǎng)的靜止期，被活動(dòng)突發(fā)中斷，喚醒轉(zhuǎn)換持續(xù)時(shí)間不同，具體取決于振蕩器類(lèi)型和設(shè)備要求（德州儀器提供）。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器的低占空比操作特性為工程師在創(chuàng)建無(wú)線(xiàn)傳感器設(shè)計(jì)的高效電源、處理和通信階段提出了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。功率級(jí)必須能夠收集環(huán)境能源并產(chǎn)生足夠的電力來(lái)為下游電路供電。在無(wú)線(xiàn)傳感器中，通信需求導(dǎo)致的峰值需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出環(huán)境源瞬時(shí)可用的需求。因此，功率級(jí)必須能夠有效地對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行涓流充電，例如像 Cymbet EnerChip 這樣的薄膜電池，或者像太陽(yáng)誘電LR 系列或伊頓 PowerStor這樣的超級(jí)電容器系列。在峰值負(fù)載期間，電源管理系統(tǒng)必須能夠切換到存儲(chǔ)的能量來(lái)為活動(dòng)突發(fā)以及與返回到靜止?fàn)顟B(tài)相關(guān)的活動(dòng)供電。

　　為了設(shè)計(jì)合適的功率級(jí)，工程師可以求助于專(zhuān)門(mén)的、高度集成的能量收集器件，例如 Cymbet CBC915或 Linear LTC3588、Maxim MAX17710，它們都提供專(zhuān)為能量微收集應(yīng)用設(shè)計(jì)的電源轉(zhuǎn)換功能（圖 3，另請(qǐng)參閱 TechZone 文章“用于微采集設(shè)計(jì)的電源管理 IC ”）。

　　圖 3：Maxim MAX17710 等專(zhuān)用微采集 IC 可為無(wú)線(xiàn)傳感器中的環(huán)境源電源提供現(xiàn)成的解決方案（由 Maxim Integrated Products 提供）。

　　這些器件構(gòu)成了環(huán)境源電源的核心，為無(wú)線(xiàn)傳感器系統(tǒng)的應(yīng)用階段提供轉(zhuǎn)換后的能量。隨著具有集成外圍設(shè)備（包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC））的 MCU 的廣泛使用，應(yīng)用電路可以簡(jiǎn)單地由 MCU 和 RF 設(shè)備組成，而附加的分立元件最少。對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)，挑戰(zhàn)就變成了通過(guò)最大限度地減少浪費(fèi)的功率和最大限度地提高處理和通信操作的效率來(lái)滿(mǎn)足非常緊張的功率預(yù)算。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，制造商為 MCU 和 RF 設(shè)備配備了多種省電模式，使工程師能夠在設(shè)備功能與功耗之間取得良好的平衡。對(duì)于零功耗無(wú)線(xiàn)傳感器設(shè)計(jì)，

　　待機(jī)模式

　　由于無(wú)線(xiàn)傳感器應(yīng)用中通常存在低占空比操作，待機(jī)模式往往是這些系統(tǒng)中的主要操作狀態(tài)。即使是長(zhǎng)時(shí)間的靜止?fàn)顟B(tài)的綜合功耗也可能不會(huì)上升到單個(gè)活動(dòng)突發(fā)期間發(fā)現(xiàn)的瞬時(shí)水平。然而，待機(jī)模式下的電源效率將在確定系統(tǒng)在使用稀缺環(huán)境能源方面的整體效率方面發(fā)揮重要作用。

　　待機(jī)功耗主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)主要因素：設(shè)備的泄漏電流和在睡眠模式下支持系統(tǒng)所需功能所需的最小功率。器件引腳上的泄漏是不可避免的（圖 4），但當(dāng)今的超低功耗器件具有最小的泄漏電流，通常呈現(xiàn)微安甚至納安的每個(gè)引腳值，并且隨著每一代新一代器件的出現(xiàn)，泄漏電流將繼續(xù)下降到新的低點(diǎn)。工藝技術(shù)。

　　圖 4：簡(jiǎn)化模型說(shuō)明了代表性輸入引腳的泄漏電流（由 Microchip Technology 提供）。

　　工程師還需要在功率預(yù)算中考慮分立元件的泄漏，直接使用指定的泄漏額定值或通過(guò)基于電容器的絕緣電阻 （IR） 規(guī)格的計(jì)算：

　　I = V x C / IR

　　其中 IR 以兆歐或兆法拉。

　　工程師可以通過(guò)關(guān)閉他們自己的電路或支持這種選擇性電源狀態(tài)的集成設(shè)備中不需要的電路來(lái)進(jìn)一步降低泄漏電流。例如，應(yīng)用傳感器和 RF 級(jí)可以分別僅在數(shù)據(jù)采集和通信的突發(fā)活動(dòng)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)單獨(dú)上電。如下所述，高級(jí)射頻電路允許工程師以編程方式禁用射頻信號(hào)鏈的選定部分，以降低泄漏電流和整體功耗。

　　在睡眠模式期間，無(wú)線(xiàn)傳感器系統(tǒng)必須保持足夠的功能，以根據(jù)編程標(biāo)準(zhǔn)或響應(yīng)外部事件觸發(fā)的中斷來(lái)喚醒自己。對(duì)于典型應(yīng)用，此最低功能級(jí)別可能包括在活動(dòng)突發(fā)之間保留 MCU 狀態(tài)和內(nèi)存內(nèi)容，而不是在突發(fā)周期結(jié)束時(shí)將狀態(tài)寫(xiě)入非易失性存儲(chǔ)器并在下一次突發(fā)開(kāi)始時(shí)恢復(fù)狀態(tài)時(shí)期。

　　MCU 還需要能夠檢測(cè)電源電壓欠壓并采取適當(dāng)?shù)拇胧?，包括安全返回待機(jī)狀態(tài)甚至自行復(fù)位。例如，Microchip PIC12LF1840T48A集成 MCU 包括一個(gè)可編程的掉電復(fù)位 （BOR） 功能，該功能可在發(fā)生掉電時(shí)使 MCU 復(fù)位（圖 5）。如果不加以考慮，掉電可能會(huì)導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)損壞，因?yàn)殡娫磿?huì)低于保持 MCU 狀態(tài)、寄存器值、程序狀態(tài)和內(nèi)存所需的最低電壓。

　　圖 5：Microchip PIC12LF1840T48A 等 MCU 可以編程為在電源掉電時(shí)復(fù)位。此處，當(dāng)電源電壓低于掉電電壓閾值 VBOR 時(shí)，器件將置位復(fù)位，并保持復(fù)位狀態(tài)，直到 VDD 上升至高于 VBOR 加上遲滯值（由 Microchip Technology 提供）。

　　除了這些最低功能要求之外，MCU 還需要保留響應(yīng)外部事件中斷的能力，例如溫度、壓力或突然加速的變化?；蛘?，工程師可以設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)來(lái)定期喚醒并執(zhí)行傳感器測(cè)量。對(duì)于這種定時(shí)輪詢(xún)方法，處于待機(jī)模式的 MCU 必須能夠保持實(shí)時(shí)時(shí)鐘 （RTC） 功能和響應(yīng) RTC 警報(bào)的能力。Silicon Labs Si1030x 和 Texas Instruments MSP430F513x等集成 MCU提供片上 RTC，并提供維持 RTC 功能和鬧鐘喚醒功能的低功耗模式。

　　醒來(lái)

　　在每微瓦都至關(guān)重要的能量微收集設(shè)計(jì)中，從待機(jī)模式到活動(dòng)模式的過(guò)渡代表了當(dāng)電路重新通電到有用的操作模式時(shí)浪費(fèi)的功率。喚醒期間所需的功率開(kāi)始耗盡寶貴的存儲(chǔ)能量，這是與應(yīng)用程序活動(dòng)突發(fā)相關(guān)的峰值負(fù)載所必需的。因此，針對(duì)這些系統(tǒng)的 MCU 和 RF 設(shè)備應(yīng)該具有非?？斓膯?dòng)時(shí)間。此外，理想情況下，這些設(shè)備應(yīng)支持以定義的順序?yàn)樗枳与娐饭╇姷哪芰?，以避免超過(guò)瞬時(shí)功率預(yù)算，從而可能導(dǎo)致整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器系統(tǒng)崩潰。這種順序啟動(dòng)能力在“冷啟動(dòng)”情況下尤為重要，

　　對(duì)于 MCU，喚醒時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵的性能特征。Silicon Labs Si1030x 等 MCU 在短短 2 μs 內(nèi)從睡眠模式喚醒到活動(dòng)模式。Texas Instruments MSP430F513x MCU 在 5 μs 內(nèi)從低功耗模式喚醒，甚至在 2 ms 內(nèi)從掉電復(fù)位中喚醒。MSP430F513x 還提供慢速喚醒功能，可在低功耗模式下提供喚醒序列。

　　Silicon Labs Si4420等射頻設(shè)備允許工程師有選擇地為射頻信號(hào)鏈的各個(gè)階段供電。通過(guò)設(shè)置或重置設(shè)備電源管理控制寄存器中的位，工程師可以在不同時(shí)間激活或停用所需的特定電路塊。

　　主動(dòng)模式

　　睡眠和喚醒模式下的電源效率對(duì)于確?？梢苑e累足夠的能量來(lái)供應(yīng)活動(dòng)突發(fā)期間產(chǎn)生的峰值負(fù)載至關(guān)重要。在活動(dòng)模式下，最小化活動(dòng)功耗對(duì)于確保峰值需求（并返回靜態(tài)狀態(tài)）不會(huì)超過(guò)可用功率（通常來(lái)自系統(tǒng)存儲(chǔ)的電源）至關(guān)重要。降低有功功耗的最直接方法之一是使用盡可能低的電源電壓。電源電壓是以下 CMOS 邏輯門(mén)動(dòng)態(tài)功耗等式中的一個(gè)主要因素：

　　活動(dòng)模式功耗 = C x V2 xf

　　其中

　　C是加工技術(shù)的函數(shù)，

　　V 是電源電壓

　　f 是柵極的開(kāi)關(guān)頻率。

　　MCU 制造商數(shù)據(jù)表通常會(huì)引用相對(duì)于 1 MHz 的動(dòng)態(tài)電流。用這些術(shù)語(yǔ)重新表述，主動(dòng)模式方程變?yōu)椋?/p>

　　主動(dòng)模式功率 = V * I

　　其中動(dòng)態(tài)電流 I = C x V xf

　　適用于能量微采集應(yīng)用的低功耗 MCU 的動(dòng)態(tài)額定電流通常低于 300 uA/MHz（同樣，請(qǐng)參閱 TechZone 文章“超低功耗 MCU 實(shí)現(xiàn)能量收集設(shè)計(jì)”）。此類(lèi)設(shè)備通常在 1.8 V 至 3.6 V 的電源電壓范圍內(nèi)工作，這是低壓微收集設(shè)計(jì)的基本特征。

　　使用高度集成的設(shè)備也有助于消除浪費(fèi)的電力。混合信號(hào)片上系統(tǒng) （SoC） 設(shè)備，例如前面提到的 Microchip PIC12LF1840T48A、Silicon Labs Si1030x 和德州儀器 MSP430F513x，結(jié)合了無(wú)線(xiàn)傳感器所需的完整功能，集成了 RF、MCU、ADC、GPIO、時(shí)鐘、穩(wěn)壓器和電源管理單元在單個(gè)設(shè)備上，從而消除與片外訪(fǎng)問(wèn)相關(guān)的延遲和電源效率低下。

　　這些器件通常提供可編程射頻輸出功率，以及允許工程師有選擇地禁用單個(gè)外設(shè)的靈活操作模式。例如，在 Silicon Labs Si103x 集成 MCU 中，工程師可以設(shè)置片上收發(fā)器的操作模式以禁用部分射頻信號(hào)鏈，就像前面提到的獨(dú)立 Si4420 射頻收發(fā)器芯片一樣。在 Si103x 中，工程師可以設(shè)置禁用信號(hào)鏈部分（包括功率放大器、接收器單元、PLL 等）的射頻模式，將動(dòng)態(tài)電流從完全運(yùn)行時(shí)的 18.5 mA 降低到寄存器節(jié)省待機(jī)模式下的 450 nA。當(dāng)然，工程師需要在這些節(jié)能與重新激活這些階段所需的額外喚醒時(shí)間之間取得平衡。

　　即使使用最高度集成的組件，無(wú)線(xiàn)電通信通常也會(huì)在無(wú)線(xiàn)傳感器系統(tǒng)中占據(jù)不成比例的大部分功耗。工程師可以通過(guò)優(yōu)化射頻功率和通信協(xié)議來(lái)最小化功率。當(dāng)接收器在物理附近時(shí)，單個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)可以在非常低的輸出功率水平下運(yùn)行。例如，工程師可以使用配備收發(fā)器的 SoC（例如 Silicon Labs Si1030x 和 Texas Instruments MSP430F513x）提供的 RSSI 輸出（圖 6）來(lái)估計(jì)與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接收器的距離并相應(yīng)地調(diào)整發(fā)射器輸出功率。

　　圖 6：工程師可以使用 Silicon Labs Si1030x 等 SoC 中可用的 RSSI 輸出來(lái)優(yōu)化射頻功率輸出（由 Silicon Labs 提供）。

　　工程師還可以設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)傳感器以適應(yīng)可用的能源資源。如果無(wú)線(xiàn)傳感器系統(tǒng)以最小的能量?jī)?chǔ)備運(yùn)行，則可以將其設(shè)計(jì)為根據(jù)可用能量?jī)?chǔ)備按比例改變射頻輸出功率水平，僅當(dāng)有足夠的儲(chǔ)備能量可用以確保完成傳輸和返回時(shí)，才以全輸出功率傳輸系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式。

　　使用低開(kāi)銷(xiāo)通信協(xié)議還可以顯著降低與通信相關(guān)的功率要求。無(wú)線(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)通信通常在所需通信事務(wù)的類(lèi)型中受到很好的限制。無(wú)需支持一長(zhǎng)串事務(wù)類(lèi)型，工程師可以將數(shù)據(jù)包消息信封減少到可靠地完成數(shù)據(jù)傳輸所需的最低開(kāi)銷(xiāo)。

　　最大化無(wú)線(xiàn)傳感器系統(tǒng)效率的機(jī)會(huì)擴(kuò)展到軟件架構(gòu)。工程師還可以通過(guò)選擇不同的數(shù)據(jù)處理方法來(lái)優(yōu)化活躍期。例如，使用傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算趨勢(shì)的應(yīng)用程序可能會(huì)容忍接收歷史數(shù)據(jù)的一定延遲。在這種情況下，無(wú)線(xiàn)傳感器可以喚醒，收集瞬時(shí)傳感器數(shù)據(jù)，并立即返回睡眠狀態(tài)。只有在積累了許多數(shù)據(jù)點(diǎn)之后，系統(tǒng)才需要保持足夠長(zhǎng)的清醒時(shí)間來(lái)為相對(duì)耗電的射頻電路供電并完成數(shù)據(jù)傳輸。

　　概括

　　在環(huán)境能源的支持下，高效的無(wú)線(xiàn)傳感器系統(tǒng)可以連續(xù)運(yùn)行，其使用壽命僅取決于其組件的可靠性。然而，要實(shí)現(xiàn)這種永久供電無(wú)線(xiàn)設(shè)計(jì)的理想，需要優(yōu)化待機(jī)、喚醒和活動(dòng)模式的電源特性?？捎玫?MCU、RF IC 和 RF 混合信號(hào) SoC 具有豐富的功率控制功能，可實(shí)現(xiàn)這種級(jí)別的功率優(yōu)化。通過(guò)將這些節(jié)能 IC 與專(zhuān)門(mén)的能量收集設(shè)備相結(jié)合，工程師可以通過(guò)能夠無(wú)限期運(yùn)行的無(wú)線(xiàn)傳感器設(shè)計(jì)來(lái)滿(mǎn)足復(fù)雜的應(yīng)用要求。