優(yōu)化先進(jìn)傳感器產(chǎn)品的能源使用

高度集成、完全規(guī)格的傳感器系統(tǒng)，如ADIS16209傾斜傳感器（見附錄），采用緊湊封裝，價(jià)格極具吸引力，使系統(tǒng)開發(fā)人員能夠以最小的投資和風(fēng)險(xiǎn)輕松使用采用他們可能缺乏經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)的傳感器。由于精度是在給定的功率水平下完全指定的，因此開發(fā)人員降低功耗的能力似乎受到限制。然而，在必須嚴(yán)格管理能源使用的應(yīng)用中，功率循環(huán)的使用為降低平均功耗提供了一個機(jī)會。本文重點(diǎn)介紹電源循環(huán)及其對整體功耗的影響。

我們中的許多人在有慈愛父母的家庭中長大，他們會大喊：“當(dāng)你離開房間時關(guān)燈！我們不擁有電力公司！實(shí)際上，他們教給我們一種重要的能量管理技術(shù)——功率循環(huán)——在不需要時從功能中移除電源的過程，例如在不需要測量時關(guān)閉傳感器系統(tǒng)。這樣可以降低平均功耗，由以下公式量化：

P上是系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)下的功耗。P關(guān)閉是系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)的開銷。與剩余電流相關(guān)，例如在電源穩(wěn)壓器中維持電源開關(guān)或關(guān)斷模式，通常約為1 μA。準(zhǔn)時（T上） 是傳感器系統(tǒng)打開、生成所需測量值和關(guān)閉的時間量。關(guān)閉時間 （T關(guān)閉） 取決于系統(tǒng)需要傳感器測量的頻率。如果關(guān)斷功率遠(yuǎn)小于導(dǎo)通功率，則平均功耗基本上與占空比成正比。例如，如果關(guān)斷功率為零，占空比為10%，則平均功耗為正常工作功率的10%。

傳感器系統(tǒng)審查

傳感器將溫度、加速度或應(yīng)變等物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)換為電信號。為了正確使用，傳感器元件需要支持功能，例如激勵、信號調(diào)理、濾波、偏移和增益調(diào)整以及溫度補(bǔ)償。先進(jìn)的傳感器產(chǎn)品還包括模數(shù)轉(zhuǎn)換，并在單個封裝中提供所有這些功能，提供完整的、經(jīng)過校準(zhǔn)的傳感器到位功能。通過消除用戶開發(fā)組件級設(shè)計(jì)或復(fù)雜表征和校正公式的需要，它們能夠以更少的投資實(shí)現(xiàn)更快的設(shè)計(jì)周期。雖然高度集成的傳感器產(chǎn)品減輕了電路級設(shè)計(jì)決策的負(fù)擔(dān)，但在考慮電源循環(huán)以降低平均功耗時，了解其內(nèi)部工作原理是有幫助的。

圖1顯示了與完整傳感器系統(tǒng)相關(guān)的許多功能。每個傳感器元件都需要一個接口電路，以將元件中的物理變化轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號處理組件可用的電信號。例如，電阻應(yīng)變計(jì) - 在受到應(yīng)變變化時經(jīng)歷電阻變化的電阻 - 通常以橋電路（帶激勵）的形式用于將可變電阻轉(zhuǎn)換為電信號。另一個例子是集成微機(jī)電系統(tǒng)（iMEMS）慣性傳感器，例如加速度計(jì)和陀螺儀。它們的微小結(jié)構(gòu)響應(yīng)慣性運(yùn)動變化，板之間的位移變化，從而導(dǎo)致電節(jié)點(diǎn)之間的電容變化?？勺冸娙菰慕涌陔娐吠ǔＪ褂谜{(diào)制和解調(diào)級的組合來將電容變化轉(zhuǎn)換為電信號。?

圖1.傳感器系統(tǒng)示例。

緩沖級為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的輸入級準(zhǔn)備信號，可以包括電平轉(zhuǎn)換、增益、失調(diào)校正、緩沖和濾波。一旦傳感器信號被數(shù)字化，數(shù)字處理功能有助于增加信息的價(jià)值。數(shù)字濾波h（n）可降低噪聲并專注于目標(biāo)頻段。例如，機(jī)器健康系統(tǒng)可能使用帶通濾波器來關(guān)注與常見磨損機(jī)制相關(guān)的頻率特征。其他需要穩(wěn)定直流基準(zhǔn)電壓源的傳感器可能會更重視低通濾波器。

傳感器精度可能因零件群而異。為了收緊誤差分布并提高測量確定性，傳感器系統(tǒng)通常包括校準(zhǔn)過程，該過程在已知激勵和條件下表征每個傳感器，并提供特定于單元的公式，以校正所有預(yù)期工作條件下的輸出。最后的處理階段 f（n） 表示特定的處理，例如，用于將加速度計(jì)的靜態(tài)重力測量值轉(zhuǎn)換為方向角的三角關(guān)系。

電源循環(huán)注意事項(xiàng)

在評估傳感器系統(tǒng)中電源循環(huán)的有效性時，設(shè)計(jì)人員必須確保確定獲取有用數(shù)據(jù)所需的時間。圖2顯示了典型傳感器系統(tǒng)在通電時的響應(yīng)方式。TM是測量時間和TC是周期時間。測量時間取決于啟動時間，T1、建立時間、T2和數(shù)據(jù)采集時間 T3.

啟動時間取決于系統(tǒng)處理器及其為支持傳感器數(shù)據(jù)采樣和信號處理操作而必須運(yùn)行的初始化例程。使用高度集成的傳感器系統(tǒng)時，啟動時間通常在產(chǎn)品文檔中指定。這種類型的產(chǎn)品有時提供休眠模式，以比關(guān)斷模式更高的斷電耗散為代價(jià)，提供更快的啟動時間。

建立時間可以包括傳感器、接口電路、濾波器和物理元件的電氣行為，以及熱和機(jī)械建立時間。在某些情況下，這些瞬態(tài)行為在開啟時間內(nèi)穩(wěn)定，因此它們對整體測量時間的影響很小或沒有影響。然而，分析行為的最保守方法是考慮它們以級聯(lián)方式發(fā)生，除非進(jìn)一步的分析和研究可以支持同時啟動和建立的更有利的假設(shè)。

數(shù)據(jù)采集時間取決于需要多少數(shù)據(jù)樣本、系統(tǒng)處理器讀取數(shù)據(jù)的速度以及準(zhǔn)備好采集準(zhǔn)確數(shù)據(jù)后處理器多久可用。

圖2.電源循環(huán)期間的傳感器響應(yīng)。

分析示例

本示例評估完全集成的MEMS傾斜傳感器，以確定影響精度和測量時間的參數(shù)，以確定重要的功耗與性能關(guān)系。以下四個步驟為此過程提供了簡單的指南：

了解傳感器的工作原理。

從產(chǎn)品文檔中捕獲相關(guān)信息。

估計(jì)未直接指定的重要參數(shù)。

發(fā)展權(quán)力與績效關(guān)系。

1. 操作理解

示例傾斜傳感器系統(tǒng)與圖1中的通用系統(tǒng)非常相似。核心MEMS加速度計(jì)包括傳感器元件和接口電路。加速度計(jì)信號通過單極點(diǎn)低通濾波器，將信號帶寬限制為50 Hz。模數(shù)轉(zhuǎn)換器以200 SPS的采樣率運(yùn)行，并將其輸出饋送到數(shù)字處理級。數(shù)字處理功能包括平均濾波器、溫度驅(qū)動器校正公式、用于將靜態(tài)加速度計(jì)讀數(shù)轉(zhuǎn)換為傾斜角度的數(shù)學(xué)功能、用戶界面寄存器和串行接口。

當(dāng)加速度計(jì)的測量軸垂直于重力時，假設(shè)偏差誤差為零，其輸出將為零。當(dāng)測量軸平行于重力時，它將產(chǎn)生 +1 g 或 –1 g 的輸出，極性取決于其方向。靜態(tài)加速度測量與傾角之間的關(guān)系是一個簡單的正弦或切線函數(shù)，如圖3所示。此分析側(cè)重于水平模式（正弦波）。

圖3.MEMS傾斜傳感器操作。

2. 從產(chǎn)品資料中獲取相關(guān)信息

表1概述了影響高級傳感器系統(tǒng)功率循環(huán)的參數(shù)。其中一些參數(shù)可在產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中找到，而其他參數(shù)則需要針對終端系統(tǒng)性能目標(biāo)進(jìn)行分析。P上和 T1是數(shù)據(jù)手冊中的參數(shù)。其余參數(shù)可用于估計(jì) T2和 T3.關(guān)斷模式電源來自線性穩(wěn)壓器的關(guān)斷電流。

表 1.傳感器系統(tǒng)操作規(guī)范

3. 使用有根據(jù)的假設(shè)來量化剩余的影響因素

建立時間會影響傳感器系統(tǒng)可以支持的精度和測量速率。許多不同的因素都會影響建立時間，但本分析側(cè)重于電氣因素。估計(jì)建立時間需要性能目標(biāo)、一些關(guān)鍵假設(shè)以及用于分析傳感器對電源應(yīng)用響應(yīng)的模型。第一個關(guān)鍵假設(shè)是濾波器建立發(fā)生在初始啟動期（開啟時間）之后。雖然這兩個周期可以同時進(jìn)行，但級聯(lián)分析它們提供了一種更保守的方法作為起點(diǎn)。圖4提供了一個簡化的模型，用于分析傳感器對電源應(yīng)用的響應(yīng)。

圖4.用于建立時間分析的電氣模型。

上電后，加速度計(jì)傳感器的輸出a（t）表現(xiàn)出階躍響應(yīng)。由于傳感器采用單電源供電，其輸出可能從零開始，并迅速過渡到確定其方向的水平。為簡單起見，假設(shè)零輸出對應(yīng)于可用的最小加速度級別。在這種情況下，我們使用 –2 g，以便在指定的最小值 –1.7 g 上提供一些裕量。此外，最大傾斜范圍為 +30°，相當(dāng)于 +0.5 g。結(jié)合這兩個間隔，加速度計(jì)信號在啟動時將進(jìn)行的最大轉(zhuǎn)換為+2.5 g。單極點(diǎn)低通濾波器b（t）的階躍響應(yīng)由以下公式捕獲：

包含數(shù)字濾波器的模型需要離散版本的b（t），以及用于仿真濾波器的求和模型。

建立時間是在指定精度內(nèi)穩(wěn)定到其最終值所需的時間，一個E.圖5顯示了兩條瞬態(tài)響應(yīng)曲線，并顯示了每條曲線的建立時間，精度為0.1 g。

圖5.上電瞬態(tài)響應(yīng)。

在本例中，誤差預(yù)算允許0.2°的建立精度。正弦公式提供了一種將此目標(biāo)轉(zhuǎn)換為加速指標(biāo)的簡單方法。

使用 Excel 或 MATLAB 等工具對這個公式進(jìn)行建模非常簡單。使用 Excel 時，輸出在 3 mg 的 0.5 g 以內(nèi)達(dá)到 18千當(dāng) N = 16 時采樣，而在 65千N = 64 時的樣本。將這些數(shù)字中的每一個除以采樣速率（200 SPS）可得到這些設(shè)置的建立時間估計(jì)值：N = 21時為1 ms，N = 90時為16 ms，N = 325時為64 ms。假設(shè)（如果合理）與熱建立相關(guān)的誤差可以忽略不計(jì)。由于所考慮的器件提供溫度校準(zhǔn)響應(yīng)，因此這可能是一個可以接受的假設(shè)。驗(yàn)證這一假設(shè)為驗(yàn)證作為最終表征過程的一部分的準(zhǔn)確性提供了很好的機(jī)會。

數(shù)據(jù)采集時間，T3，因?yàn)檫@種類型的系統(tǒng)不需要超過一個采樣周期，因?yàn)樗斜匾男Ｕ瓦^濾都在設(shè)備內(nèi)部處理。在這里，采集時間僅占總測量時間的5 ms。

4. 將功耗與周期時間相關(guān)聯(lián)

該分析的最后一部分涉及平均功耗和周期時間，實(shí)際上等于各個測量事件之間的時間量。表2總結(jié)了傳感器數(shù)據(jù)手冊中指定或通過此簡單分析過程產(chǎn)生的關(guān)鍵功率循環(huán)因子，包括完全啟動（電源循環(huán)）和睡眠模式恢復(fù)（睡眠循環(huán)）的數(shù)字。

表 2.關(guān)鍵功率循環(huán)參數(shù)摘要

以下計(jì)算提供了一個快速示例，用于使用這些參數(shù)分析和比較需要 1 SPS 測量速率的系統(tǒng)的電源循環(huán)和睡眠循環(huán)。

電源循環(huán)：

睡眠循環(huán)：

在這里，睡眠循環(huán)是有利的。但是，如果循環(huán)時間增加到每分鐘一個樣品（TC= 60 s），功率循環(huán)方法的平均功耗為 0.2 mW，睡眠循環(huán)方法的平均功耗為 1.2 mW。周期時間和平均功耗之間的有用圖形關(guān)系如圖6所示。

圖6.周期時間與平均功耗的關(guān)系。

睡眠模式保留所有初始化值，同時關(guān)閉系統(tǒng)的其余部分。盡管維護(hù)這些設(shè)置需要一些電源，但恢復(fù)時間比完全啟動時間快。傾斜傳感器ADIS16209提供可編程休眠時間和自動喚醒功能。這種類型的解決方案非常適合主處理器，主處理器還可以在數(shù)據(jù)就緒信號上喚醒，獲取所需的數(shù)據(jù)，并命令傳感器在另一個固定時間段內(nèi)重新進(jìn)入睡眠狀態(tài)。另一個使用睡眠模式的MEMS產(chǎn)品示例是ADIS16223振動傳感器，它收集和存儲振動數(shù)據(jù)，自動返回睡眠模式，然后開始另一個測量事件的倒計(jì)時。這種類型的傳感器適用于需要定期監(jiān)視的系統(tǒng)，而無需分配處理器資源來管理睡眠和數(shù)據(jù)收集模式。

這個簡單的分析提供了一些有用的見解。特別是，在某些情況下，盡管睡眠模式需要電源，但睡眠模式管理可以節(jié)省能源。在上面的示例中，睡眠模式為需要以 4 SPS 速率進(jìn)行傾斜測量的系統(tǒng)提供了 1：1 的改進(jìn)。在這里，休眠模式可為長達(dá) 6 s 的測量周期時間提供節(jié)能。對于測量周期時間較長的系統(tǒng)，與管理關(guān)斷功能相關(guān)的較低開銷可實(shí)現(xiàn)較低的平均功率水平。

結(jié)論

無論是出于經(jīng)濟(jì)還是環(huán)境原因，降低功耗的愿望似乎幾乎是普遍的。降低功耗可以減小電源（如電源轉(zhuǎn)換器、電池和太陽能電池）的尺寸和成本。其他潛在好處包括放寬熱和機(jī)械設(shè)計(jì)要求、降低 EMI 輻射以及更有利的環(huán)境影響評級。

本文介紹的概念和分析技術(shù)為重視高度集成傳感器產(chǎn)品的工程師提供了一個良好的起點(diǎn)，但也面臨著盡可能降低功耗的壓力。更重要的是，與識別和分析可能影響整體功率目標(biāo)的行為相關(guān)的思維過程將變得更加重要，因?yàn)槊總€系統(tǒng)設(shè)計(jì)都提供了新的機(jī)會和風(fēng)險(xiǎn)。在完成初步分析后，也許俄羅斯諺語“Доверяй，но проверяй”（“信任，但要驗(yàn)證！”），最好地總結(jié)了如何確保最終實(shí)施的成功。跟蹤關(guān)鍵假設(shè)，例如穩(wěn)定精度（3 mg）以及熱穩(wěn)定是否會發(fā)揮作用。當(dāng)有合適的硬件可用時，請?jiān)诒M可能符合其預(yù)期用途的條件下測試這些解決方案。最后，測試這些假設(shè)將增加信心，并為將來的電源管理技術(shù)分析完善新的假設(shè)。

附錄

ADIS16209 i Sensor雙軸傾角計(jì)（圖A）提供的數(shù)字輸出與±180°范圍內(nèi)平行于地球重力的一個平面（垂直模式）的旋轉(zhuǎn)成比例，或在±90°范圍內(nèi)提供與地球重力相切的兩個平面（水平模式）的數(shù)字輸出。片內(nèi)ADC對iMEMS加速度計(jì)、內(nèi)部溫度傳感器、電源和輔助模擬輸入的輸出進(jìn)行數(shù)字化處理，并通過SPI兼容接口提供數(shù)據(jù)。靈敏度、采樣率、帶寬和報(bào)警閾值均可通過數(shù)字編程。該器件功能完整，還包括一個輔助 12 位 DAC、精密 2.5V 基準(zhǔn)電壓源、數(shù)字自檢功能和可編程電源管理。ADIS3采用0.3 V至6.16209 V單電源供電，快速模式下功耗為36 mA，正常模式下功耗為11 mA，休眠模式下功耗為140 μA。該器件采用 16 端子 LGA 封裝，額定溫度范圍為 –40°C 至 +125°C。??

圖 A. ADIS16209 框圖。

ADIS16223 iSensor數(shù)字振動傳感器（圖B）將±70 g單軸iMEMS加速度計(jì)與靈活的低功耗信號處理器相結(jié)合。22kHz 傳感器帶寬和 72.9kSPS 采樣速率非常適合機(jī)器健康應(yīng)用;平均/抽取濾波器優(yōu)化了低帶寬應(yīng)用的操作。該設(shè)備可以使用自動、手動或事件捕獲數(shù)據(jù)收集模式從三個軸中的每一個軸捕獲和存儲 1k 個樣本。它還可以測量溫度和電源電壓，捕獲峰值，并提供基于狀態(tài)的報(bào)警功能。ADIS3采用15.3 V至6.16223 V單電源供電，捕獲模式下功耗為38 mA，睡眠模式下功耗為230 μA。該器件采用 16 端子 LGA 封裝，額定溫度范圍為 –40°C 至 +125°C。

圖 B. ADIS16223 框圖

審核編輯：郭婷