如何有效的降低能源微型采集無線傳感器的功耗

在環(huán)境能源的支持下，“零功率”無線傳感器幾乎應(yīng)用于所有細分市場。但是，工程師必須特別注意管理能源微型采集所需的低功率預算。通過將超低功耗MCU和RF IC與高效電源轉(zhuǎn)換器件相結(jié)合，工程師可以創(chuàng)建無需更換電池即可在系統(tǒng)組件的有效使用壽命內(nèi)運行的無線傳感器。為了設(shè)計這些高效系統(tǒng)，工程師可以利用來自制造商的超低功耗器件和專用IC，包括Cymbet，Linear Technology，Maxim Integrated Products，Microchip Technology，Silicon Labs和Texas Instruments等。

除了適用于光，熱，振動或射頻能量的傳感器外，零功率無線傳感器系統(tǒng)設(shè)計通常還包括電源轉(zhuǎn)換和管理單元，微控制器，射頻無線電和應(yīng)用傳感器（圖1）。在操作中，系統(tǒng)將幾微瓦環(huán)境能量的涓流轉(zhuǎn)換成足夠的功率，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處理和數(shù)據(jù)格式化，最后傳輸結(jié)果。

圖1：典型的零功率無線傳感器結(jié)合了能量傳感器，能量處理能力，MCU，RF無線電和應(yīng)用傳感器（由Cymbet提供）。

典型的無線傳感器應(yīng)用需要幾百毫秒或更短的時間來完成傳感器數(shù)據(jù)采集和傳輸事件。對于監(jiān)控實際流程的大多數(shù)應(yīng)用程序，傳感器事件可能每隔幾分鐘而不是每幾秒鐘發(fā)生一次。因此，無線傳感器表現(xiàn)出一種活動特征，其特征是延長的靜態(tài)狀態(tài)由活動脈沖周期性地中斷（圖2，另見TechZone文章“超低功耗MCU實現(xiàn)能量收集設(shè)計”）。

圖2：典型無線傳感器的活動曲線顯示長時間的靜止周期被突發(fā)的活動中斷，具有不同持續(xù)時間的喚醒轉(zhuǎn)換，具體取決于振蕩器類型和設(shè)備要求（德州儀器提供）。

無線傳感器的低占空比工作特性為工程師創(chuàng)建無線傳感器設(shè)計的高效電源，處理和通信階段帶來了獨特的挑戰(zhàn)。功率級必須能夠收集環(huán)境能量源并產(chǎn)生足夠的功率來為下游電路供電。在無線傳感器中，通信要求導致峰值需求遠遠超出環(huán)境源瞬時可用的峰值需求。因此，功率級必須能夠有效地對諸如Cymbet EnerChip等薄膜電池或Taiyo Yuden LR系列或Eaton PowerStor系列等超級電容器等存儲設(shè)備進行涓流充電。在峰值負載期間，電源管理系統(tǒng)必須能夠切換到存儲的能量以為活動突發(fā)供電，以及與返回到靜止狀態(tài)相關(guān)的活動。

為了設(shè)計合適的功率級，工程師可以選擇專業(yè)的，高度集成的能量采集設(shè)備，如Cymbet CBC915或線性LTC3588，Maxim MAX17710，每個都提供專為能量微型采集應(yīng)用而設(shè)計的功率轉(zhuǎn)換功能（圖3，另見TechZone文章“用于微型采集設(shè)計的電源管理IC”。）

圖3：Maxim MAX17710等專用微型采集IC可為無線傳感器中的環(huán)境電源提供現(xiàn)成的解決方案（由Maxim Integrated Products提供）。

這些器件構(gòu)成環(huán)境電源的核心，為無線傳感器系統(tǒng)中的應(yīng)用階段提供轉(zhuǎn)換后的能量。隨著具有集成外設(shè)（包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC））的MCU的廣泛可用性，應(yīng)用電路可以僅包括具有最少額外分立元件的MCU和RF器件。對于工程師來說，挑戰(zhàn)就是通過最大限度地減少浪費的功率和最大化處理和通信操作的效率來滿足非常嚴格的功率預算。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，制造商為MCU和RF器件配備了多種節(jié)能模式，使工程師能夠精確平衡器件功能與功耗。對于零功耗無線傳感器設(shè)計，關(guān)鍵性能標準側(cè)重于在待機，喚醒和活動模式下最大化功率效率的特性和功能。

待機模式

通過無線傳感器應(yīng)用中常見的低占空比操作，待機模式將成為這些系統(tǒng)中的主要運行狀態(tài)。甚至在長時間靜止狀態(tài)下集成的功耗也可能不會升至單次活動爆發(fā)期間發(fā)現(xiàn)的瞬時水平。然而，待機模式下的電源效率將在確定系統(tǒng)使用稀缺環(huán)境能量的整體效率方面發(fā)揮重要作用。

待機功耗主要來自兩個主要因素：設(shè)備的漏電流和支持睡眠模式下系統(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），但今天的超低功耗器件具有最小的泄漏電流，通常在微安甚至毫微安的每個引腳上顯示出來，并且隨著新一代產(chǎn)品的出現(xiàn)，將繼續(xù)降至新的低點。工藝技術(shù)。圖4：簡化模型說明了代表性輸入引腳的漏電流（由Microchip Technology提供）。

工程師還需要考慮功率預算中分立元件的泄漏，直接使用指定的泄漏額定值或根據(jù)電容器的絕緣電阻（IR）規(guī)格進行計算：

I = V x C/IR 《 br》其中IR以兆歐或megafarads指定。

工程師可以通過關(guān)閉自己電路中不需要的電路或支持這種選擇性電源狀態(tài)的集成器件來進一步降低漏電流。例如，應(yīng)用傳感器和RF級可以分別僅在數(shù)據(jù)獲取和通信的突發(fā)活動的開始和結(jié)束時單獨加電。如下所述，先進的RF電路允許工程師以編程方式禁用RF信號鏈的選定部分，以減少漏電流和總功耗。

在睡眠模式期間，無線傳感器系統(tǒng)必須保持足夠的功能，以根據(jù)編程標準喚醒自身或響應(yīng)外部事件觸發(fā)的中斷。對于典型應(yīng)用，這個最低功能級別可能包括在活動突發(fā)之間保留MCU狀態(tài)和存儲器內(nèi)容，而不是浪費功率在突發(fā)周期結(jié)束時將狀態(tài)寫入非易失性存儲器并在下一突發(fā)開始時恢復狀態(tài)。期。

MCU還需要能夠檢測電源電壓欠壓并采取適當?shù)拇胧?，包括安全返回待機狀態(tài)甚至自行復位。例如，Microchip PIC12LF1840T48A集成MCU具有可編程欠壓復位（BOR）功能，可在發(fā)生欠壓時使MCU復位（圖5）。如果沒有計算，掉電可能會導致狀態(tài)損壞，因為電源電壓低于保持MCU狀態(tài)，寄存器值，程序狀態(tài)和存儲器所需的最小電壓。

圖5：可以對Microchip PIC12LF1840T48A等MCU進行編程，以便在電源電壓不足時復位。這里，當電源電壓低于欠壓電壓閾值VBOR時，器件置位復位，保持復位直到VDD上升到VBOR加上滯后值（由Microchip Technology提供）。

除了這些最低功能要求外，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)計無線系統(tǒng)以定期喚醒并執(zhí)行傳感器測量。對于這種定時輪詢方法，處于待機模式的MCU必須能夠保持實時時鐘（RTC）功能和響應(yīng)RTC警報的能力。集成MCU，例如Silicon Labs Si1030x和Texas Instruments MSP430F513x，提供片上RTC并提供低功耗模式，可保持RTC功能和報警喚醒功能。

喚醒

在能量微型采集設(shè)計中，每微瓦都至關(guān)重要，從待機模式到主動模式的轉(zhuǎn)換表示電路重新激活到有用的工作模式時會浪費功率。喚醒期間所需的功率開始耗盡寶貴的儲存能量，這是與應(yīng)用活動爆發(fā)相關(guān)的峰值負載所急需的。因此，針對這些系統(tǒng)的MCU和RF設(shè)備應(yīng)具有非?？斓膯訒r間。此外，設(shè)備理想地應(yīng)支持以限定的順序激勵所需的子電路以避免超過瞬時功率預算的能力，可能導致整個無線傳感器系統(tǒng)的崩潰。這種順序啟動能力在“冷啟動”情況下尤其重要，在這種情況下，新部署了無線傳感器，或者現(xiàn)有系統(tǒng)已長時間從其環(huán)境源切斷。

對于MCU，喚醒時間是一個關(guān)鍵的性能特征。 Silicon Labs Si1030x等MCU可在短至2μs的時間內(nèi)從睡眠模式喚醒至活動模式。德州儀器（TI）MSP430F513x MCU在5μs內(nèi)從低功耗模式喚醒，甚至僅在2 ms內(nèi)從掉電復位喚醒。 MSP430F513x還提供慢速喚醒功能，可在低功耗模式下提供喚醒序列。

諸如Silicon Labs Si4420之類的RF器件允許工程師有選擇地為RF信號鏈的各個級提供電源。通過設(shè)置或復位器件電源管理控制寄存器中的位，工程師可以在不同時間激活或停用所需的特定電路塊。

活動模式

睡眠和喚醒模式下的功率效率對于確?？梢岳鄯e足夠的能量來提供活動突發(fā)期間產(chǎn)生的峰值負載至關(guān)重要。在主動模式下，最小化有功功耗對于確保峰值需求（以及返回靜止狀態(tài)）不會超過可用功率（通常來自系統(tǒng)的存儲電源）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。對于CMOS邏輯門中的動態(tài)功耗，電源電壓是以下等式中的主要因素：

有源模式功率= CxV2xf

其中

C是處理技術(shù)的函數(shù)，

V是電源電壓

f是柵極的開關(guān)頻率。

《 p》 MCU制造商數(shù)據(jù)表通常引用相對于1 MHz的動態(tài)電流。以這些術(shù)語重新調(diào)制，有源模式方程變?yōu)椋?/p>

有源模式功率= V * I

其中動態(tài)電流I = C x V xf

適用于能量微型采集應(yīng)用的低功率MCU具有動態(tài)電流額定值通常低于300 uA/MHz（再次參見TechZone文章“超低功耗MCU實現(xiàn)能量采集設(shè)計”）。此類器件通常工作在1.8 V至3.6 V的電源電壓范圍內(nèi)，這是低電壓，微型采集設(shè)計。

高度集成的器件的使用也有助于消除浪費的功率?；旌闲盘柶舷到y(tǒng)（SoC）器件，如前面提到的Microchip PIC12LF1840T48A，Silicon Labs Si1030x和Texas儀器MSP430F513x結(jié)合了無線傳感器所需的全部功能，在單個器件上集成了RF，MCU，ADC，GPIO，時鐘，穩(wěn)壓器和電源管理單元，從而消除了與片外相關(guān)的延遲和功耗低效訪問。

這些器件通常提供可編程RF輸出功率，以及靈活的工作模式，允許工程師有選擇地禁用各個外設(shè)。例如，在Silicon Labs Si103x集成MCU中，工程師可以設(shè)置片上收發(fā)器的工作模式，以禁用部分RF信號鏈，就像前面提到的獨立Si4420 RF收發(fā)器芯片一樣。在Si103x中，工程師可以設(shè)置RF模式，禁用部分信號鏈，包括功率放大器，接收器單元，PLL等，在完全操作時將動態(tài)電流從18.5 mA切換到節(jié)省寄存器的待機模式下的450 nA。當然，工程師需要平衡這些節(jié)能與重新激活這些階段所需的額外喚醒時間。

即使使用集成度最高的組件，無線電通信通常也會占無線傳感器系統(tǒng)中不成比例的大部分功耗。工程師可以通過優(yōu)化RF功率和通信協(xié)議來最小化功耗。當接收器在物理上靠近時，各個無線傳感器節(jié)點可以在非常低的輸出功率水平下操作。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）來估算無線網(wǎng)絡(luò)接收器的接近度并相應(yīng)地調(diào)整發(fā)射器輸出功率。

《 p》

圖6：工程師可以使用SoC中可用的RSSI輸出，例如Silicon Labs Si1030x，以優(yōu)化RF功率輸出（由Silicon Labs提供）。

工程師還可以設(shè)計無線傳感器以適應(yīng)可用的能源資源。如果無線傳感器系統(tǒng)以最小的能量儲備運行，它可以設(shè)計為改變RF輸出功率水平，以與可用的能量儲備成比例地縮放，僅在有足夠的儲備能量以確保完成傳輸和返回時以全輸出功率進行傳輸。系統(tǒng)進入待機模式。

低開銷通信協(xié)議的使用還可以顯著減輕與通信相關(guān)的功率要求。無線傳感器數(shù)據(jù)通信通常在所需通信事務(wù)的類型中受到很好的約束。無需支持很長的事務(wù)類型列表，工程師可以將數(shù)據(jù)包消息包減少到可靠地完成數(shù)據(jù)傳輸所需的最小開銷。

最大化無線傳感器系統(tǒng)效率的機會擴展到軟件架構(gòu)。工程師還可以通過選擇不同的數(shù)據(jù)處理方法來優(yōu)化活動期。例如，使用傳感器數(shù)據(jù)計算趨勢的應(yīng)用程序可能容忍接收歷史數(shù)據(jù)的一定量的延遲。在這種情況下，無線傳感器可以喚醒，收集瞬時傳感器數(shù)據(jù)，并立即返回睡眠狀態(tài)。只有在累積了大量數(shù)據(jù)點之后，系統(tǒng)才需要保持足夠長的喚醒時間，以便為相對耗電的RF電路供電并完成數(shù)據(jù)傳輸。