如何通过数字电源管理延长物联网电池寿命

功耗是无线传感器节点必须轻松连接到物联网的关键设计标准。

无线收发器和微控制器的电源管理是实现最低功耗以实现最长电池寿命的重要部分，但它可能需要复杂的硬件，软件和分析组合。

Silicon Labs的BGM113是一款完全集成，经过认证的蓝牙低能耗模块，它结合了2.4 GHz蓝牙片上系统，高效陶瓷芯片天线和符合蓝牙4.2标准的软件堆栈。

图1：BGM113模块为物联网提供低功耗蓝牙。

低功耗EFM32 Gecko微控制器技术是结合单个芯片上的超低功耗蓝牙智能收发器。这样可以实现更有效的数字电源管理，具有快速唤醒时间，更高的RF灵敏度和外设的透明管理，从而最大限度地降低功耗。完全集成的功率放大器和平衡 - 不平衡转换器可实现+ 10 dBm的RF灵敏度提升，并为与应用紧密耦合的电源管理提供更多机会。

ARM®Cortex®-M4内核支持128至256 kB闪存大小和16至32 kB RAM大小以及通过外围反射系统（PRS）连接的一系列低能耗外设。这允许它们作为数字电源管理的一部分从控制器自主操作。

蓝牙智能模块经认证可用于所有主要市场，包括北美，欧洲，日本和韩国，并可使用标准3 V纽扣电池或两节AAA电池供电。

采用3 V电源的EFM32

内存中的实际应用EM0

运行模式EM1

睡眠模式EM2

深度睡眠EM3

停止模式EM4

关闭模式电流消耗下降至63μA/MHz至低至32μA/MHz低至0.9μA低至0.6μA低至20 nA唤醒时间 - 02μs2μs160μs唤醒事件任何32 KHz外设异步IRQ，

1²C从器件 - 模拟比较器

电压比较器复位，

GPIO上升沿/下降沿CPU（Cortex-M3/M0）开 - - - - 提供高频外设 - - - 提供低频外设 - - - 可用的异步外设可用 - 全CPU和SRAM保持亮亮亮 - 上电复位/欠压检测开亮亮亮开

图2：EFM32控制器的能量模式。

能量模式

运行32 MHz和3 V时，EFM32控制器在运行实际代码时仅消耗150μA/MHz，但外围设备控制器也有几种低功耗模式。能量管理单元（EMU）进一步管理数字控制下的系统功率。

六通道PRS链接外设并监控系统级事件，以便不同外设可以在没有CPU干预的情况下相互自主通信。 PRS会在唤醒CPU之前监视特定事件，从而尽可能长时间地将内核保持在节能待机模式，从而降低系统功耗并延长电池寿命。

EMU管理转换在设备中的五种能量模式中，控制哪些外围设备和功能可用以及设备消耗的电流量。

在能量模式0（EM0）下，CPU从闪存或RAM获取并执行指令，并且可以启用所有低能耗外设。从这里开始，内核可以快速进入低能耗模式之一，暂停CPU和闪存。唤醒后，所有低能耗模式在2μs内返回EM0并使用180μA/MHz。

在EM1睡眠模式下，CPU的时钟被禁用，但所有外设，包括闪存和RAM正在运行，PRS从外设收集数据，使系统能够长时间保留在EM1中并保持完整数据。这使用45μA/MHz。

在EM2深度睡眠模式下，主高频振荡器关闭，但32 kHz振荡器和实时时钟可用于低能量外设。 EM0的唤醒时间仅为2μs，低泄漏RAM确保完全数据保持，功耗为0.9μA。

EM3停止模式禁用低频振荡器，但保持低电平 - 漏电RAM供电，以便低功耗模拟比较器或异步外部中断可以唤醒器件。此模式使用0.6μA。

对于不需要RTC或RAM保留的应用，EM4关闭模式是可用的最深能量模式，唤醒的唯一方法是复位，这仅使用20 nA。

图3：BGM113模块中不同外设的可能能量模式。

《 p》 EMU还可用于关闭未使用的RAM模块的电源，它包含DC-DC稳压器和电压监视器（VMON）的控制寄存器。它监控多个电源电压并具有多个通道，可以在代码中单独编程，以确定检测到的电源是否低于选定的阈值。

电源管理

EMU和集成稳压器从模块的集成DC-DC降压稳压器产生内部电源电压，因此只需要一个外部电源电压。这样可以对内部电压进行更精细的控制，从而最大限度地降低模块的功率。

DC-DC转换器可承受各种负载电流，在能量模式EM0中提供高达90％的效率， EM1，EM2和EM3。注意降低RF噪声意味着DC-DC转换器将在不降低无线电组件灵敏度的情况下运行，这是无线收发器中数字电源管理的重要组成部分。

有各种保护功能DC-DC转换器，包括可编程电流限制，短路保护和死区时间保护，当输入电压过低而无法进行有效操作时，它也可能进入旁路模式。在旁路模式下，DC-DC输入电源通过低电阻开关在内部直接连接到其输出。此旁路模式还具有浪涌电流限制功能，可防止因输出电流过大而导致输入电源电压下降。

时钟

管理器件的时钟信号是另一个关键因素。数字电源管理，允许外围设备进入低功耗模式。时钟管理单元（CMU）控制BGM113中的振荡器和时钟，以及启用振荡器的配置。 CMU的灵活性允许软件通过最小化未使用外设和振荡器的功耗来优化任何特定应用中的能耗。但是，从设备设计开始就考虑到数字电源管理，可以针对功率控制的不同元件优化振荡器。

因此，芯片上集成了两个晶体振荡器和四个RC振荡器，38.4 MHz高频晶体振荡器（HFXO）为MCU和无线电提供精确的时序参考，以及32.768 kHz晶体振荡器（LFXO）为低能耗模式提供精确的时序参考。

图4：具有电源管理模块的Blue Gecko控制器的内部结构。

当不需要晶体精度时，MCU系统可以使用集成的高频RC振荡器（HFRCO），这采用快速启动技术，能耗最低，频率范围宽，可以保持功率

另一个集成的低频32.768 kHz RC振荡器（LFRCO）可用作低能量模式下的定时基准，并提供集成的超低频1 kHz RC振荡器（ULFRCO）提供低能耗模式下最低能耗的定时参考。

无线电子系统也是数字电源管理方案的一部分。 RFSENSE模块在天线接口检测到宽带RF能量时产生系统唤醒中断，从低能量模式（包括EM2，EM3和EM4）提供真正的RF唤醒功能。

这会触发相对较强的RF信号并且可以在最低能量模式下使用，根据应用代码和使用的模式，可以实现非常低的能耗。它不会对接收信号进行解调或限定，但软件可以通过启用正常的RF接收来响应唤醒事件。

软件

数字电源管理也是软件链的一部分。 Simplicity Studio开发工具的一个关键部分是energyAware Profiler，它可以从芯片访问高级能源监控（AEM）数据。通过USB端口将开发套件连接到PC，可以提供有关电流消耗的实时信息。

AEM允许开发人员在应用程序运行时跟踪能耗，因此可以在整个模块中提供实际值而非估算值，以便全面了解能耗。

电流传感器对流过控制器主电源轨的电流进行采样，对电流数据进行采样和转换以及电压和定时信息。测量200μA以下的电流时，AEM的带宽为60 Hz，测量200μA以上的电流时，AEM的带宽为120 Hz。高于200μA，最大误差为0.1 mA，低于200μA，精度提高至1μA，但传感器仍可检测到小至100 nA的电流消耗变化。

这允许通过更改应用程序代码来优化功率。

代码分析

这是通过energyAware Profiler能量调试工具完成的，该工具从AEM获取数据并使用相关代码在当前与时间图表中显示信息。开发人员可以放大能量图的X（时间）和Y（功率）轴，以更精确地分析能耗的细节。此外，分析器提供能量图，功能分析器和应用程序代码之间的直接关联。

图5：能耗分析代码作为一部分BME113无线模块的数字电源管理。

结论

数字电源管理贯穿整个BM113无线模块。从控制器核心到外围设备和无线电收发器，可以以不同方式关闭所有模块以优化功耗。结合开发工具中的能量分析代码分析和模块本身的实际数据，开发人员可以在整个模块中有效地管理电源，从而最大限度地延长物联网应用中的电池寿命。