如何有效的降低能源微型采集无线传感器的功耗

在环境能源的支持下，“零功率”无线传感器几乎应用于所有细分市场。但是，工程师必须特别注意管理能源微型采集所需的低功率预算。通过将超低功耗MCU和RF IC与高效电源转换器件相结合，工程师可以创建无需更换电池即可在系统组件的有效使用寿命内运行的无线传感器。为了设计这些高效系统，工程师可以利用来自制造商的超低功耗器件和专用IC，包括Cymbet，Linear Technology，Maxim Integrated Products，Microchip Technology，Silicon Labs和Texas Instruments等。

除了适用于光，热，振动或射频能量的传感器外，零功率无线传感器系统设计通常还包括电源转换和管理单元，微控制器，射频无线电和应用传感器（图1）。在操作中，系统将几微瓦环境能量的涓流转换成足够的功率，以允许系统定期唤醒，收集应用传感器数据，执行所需的传感器信号处理和数据格式化，最后传输结果。

图1：典型的零功率无线传感器结合了能量传感器，能量处理能力，MCU，RF无线电和应用传感器（由Cymbet提供）。

典型的无线传感器应用需要几百毫秒或更短的时间来完成传感器数据采集和传输事件。对于监控实际流程的大多数应用程序，传感器事件可能每隔几分钟而不是每几秒钟发生一次。因此，无线传感器表现出一种活动特征，其特征是延长的静态状态由活动脉冲周期性地中断（图2，另见TechZone文章“超低功耗MCU实现能量收集设计”）。

图2：典型无线传感器的活动曲线显示长时间的静止周期被突发的活动中断，具有不同持续时间的唤醒转换，具体取决于振荡器类型和设备要求（德州仪器提供）。

无线传感器的低占空比工作特性为工程师创建无线传感器设计的高效电源，处理和通信阶段带来了独特的挑战。功率级必须能够收集环境能量源并产生足够的功率来为下游电路供电。在无线传感器中，通信要求导致峰值需求远远超出环境源瞬时可用的峰值需求。因此，功率级必须能够有效地对诸如Cymbet EnerChip等薄膜电池或Taiyo Yuden LR系列或Eaton PowerStor系列等超级电容器等存储设备进行涓流充电。在峰值负载期间，电源管理系统必须能够切换到存储的能量以为活动突发供电，以及与返回到静止状态相关的活动。

为了设计合适的功率级，工程师可以选择专业的，高度集成的能量采集设备，如Cymbet CBC915或线性LTC3588，Maxim MAX17710，每个都提供专为能量微型采集应用而设计的功率转换功能（图3，另见TechZone文章“用于微型采集设计的电源管理IC”。）

图3：Maxim MAX17710等专用微型采集IC可为无线传感器中的环境电源提供现成的解决方案（由Maxim Integrated Products提供）。

这些器件构成环境电源的核心，为无线传感器系统中的应用阶段提供转换后的能量。随着具有集成外设（包括模数转换器（ADC））的MCU的广泛可用性，应用电路可以仅包括具有最少额外分立元件的MCU和RF器件。对于工程师来说，挑战就是通过最大限度地减少浪费的功率和最大化处理和通信操作的效率来满足非常严格的功率预算。为了应对这些挑战，制造商为MCU和RF器件配备了多种节能模式，使工程师能够精确平衡器件功能与功耗。对于零功耗无线传感器设计，关键性能标准侧重于在待机，唤醒和活动模式下最大化功率效率的特性和功能。

待机模式

通过无线传感器应用中常见的低占空比操作，待机模式将成为这些系统中的主要运行状态。甚至在长时间静止状态下集成的功耗也可能不会升至单次活动爆发期间发现的瞬时水平。然而，待机模式下的电源效率将在确定系统使用稀缺环境能量的整体效率方面发挥重要作用。

待机功耗主要来自两个主要因素：设备的漏电流和支持睡眠模式下系统所需功能所需的最小功率。器件引脚上的泄漏是不可避免的（图4），但今天的超低功耗器件具有最小的泄漏电流，通常在微安甚至毫微安的每个引脚上显示出来，并且随着新一代产品的出现，将继续降至新的低点。工艺技术。图4：简化模型说明了代表性输入引脚的漏电流（由Microchip Technology提供）。

工程师还需要考虑功率预算中分立元件的泄漏，直接使用指定的泄漏额定值或根据电容器的绝缘电阻（IR）规格进行计算：

I = V x C/IR 《 br》其中IR以兆欧或megafarads指定。

工程师可以通过关闭自己电路中不需要的电路或支持这种选择性电源状态的集成器件来进一步降低漏电流。例如，应用传感器和RF级可以分别仅在数据获取和通信的突发活动的开始和结束时单独加电。如下所述，先进的RF电路允许工程师以编程方式禁用RF信号链的选定部分，以减少漏电流和总功耗。

在睡眠模式期间，无线传感器系统必须保持足够的功能，以根据编程标准唤醒自身或响应外部事件触发的中断。对于典型应用，这个最低功能级别可能包括在活动突发之间保留MCU状态和存储器内容，而不是浪费功率在突发周期结束时将状态写入非易失性存储器并在下一突发开始时恢复状态。期。

MCU还需要能够检测电源电压欠压并采取适当的措施，包括安全返回待机状态甚至自行复位。例如，Microchip PIC12LF1840T48A集成MCU具有可编程欠压复位（BOR）功能，可在发生欠压时使MCU复位（图5）。如果没有计算，掉电可能会导致状态损坏，因为电源电压低于保持MCU状态，寄存器值，程序状态和存储器所需的最小电压。

图5：可以对Microchip PIC12LF1840T48A等MCU进行编程，以便在电源电压不足时复位。这里，当电源电压低于欠压电压阈值VBOR时，器件置位复位，保持复位直到VDD上升到VBOR加上滞后值（由Microchip Technology提供）。

除了这些最低功能要求外，MCU还需要保留响应外部事件中断的能力，例如温度，压力或突然加速的变化。或者，工程师可以设计无线系统以定期唤醒并执行传感器测量。对于这种定时轮询方法，处于待机模式的MCU必须能够保持实时时钟（RTC）功能和响应RTC警报的能力。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功能和报警唤醒功能。

唤醒

在能量微型采集设计中，每微瓦都至关重要，从待机模式到主动模式的转换表示电路重新激活到有用的工作模式时会浪费功率。唤醒期间所需的功率开始耗尽宝贵的储存能量，这是与应用活动爆发相关的峰值负载所急需的。因此，针对这些系统的MCU和RF设备应具有非常快的启动时间。此外，设备理想地应支持以限定的顺序激励所需的子电路以避免超过瞬时功率预算的能力，可能导致整个无线传感器系统的崩溃。这种顺序启动能力在“冷启动”情况下尤其重要，在这种情况下，新部署了无线传感器，或者现有系统已长时间从其环境源切断。

对于MCU，唤醒时间是一个关键的性能特征。 Silicon Labs Si1030x等MCU可在短至2μs的时间内从睡眠模式唤醒至活动模式。德州仪器（TI）MSP430F513x MCU在5μs内从低功耗模式唤醒，甚至仅在2 ms内从掉电复位唤醒。 MSP430F513x还提供慢速唤醒功能，可在低功耗模式下提供唤醒序列。

诸如Silicon Labs Si4420之类的RF器件允许工程师有选择地为RF信号链的各个级提供电源。通过设置或复位器件电源管理控制寄存器中的位，工程师可以在不同时间激活或停用所需的特定电路块。

活动模式

睡眠和唤醒模式下的功率效率对于确保可以累积足够的能量来提供活动突发期间产生的峰值负载至关重要。在主动模式下，最小化有功功耗对于确保峰值需求（以及返回静止状态）不会超过可用功率（通常来自系统的存储电源）至关重要。降低有功功耗的最直接方法之一是使用尽可能低的电源电压。对于CMOS逻辑门中的动态功耗，电源电压是以下等式中的主要因素：

有源模式功率= CxV²xf

其中

C是处理技术的函数，

V是电源电压

f是栅极的开关频率。

《 p》 MCU制造商数据表通常引用相对于1 MHz的动态电流。以这些术语重新调制，有源模式方程变为：

有源模式功率= V * I

其中动态电流I = C x V xf

适用于能量微型采集应用的低功率MCU具有动态电流额定值通常低于300 uA/MHz（再次参见TechZone文章“超低功耗MCU实现能量采集设计”）。此类器件通常工作在1.8 V至3.6 V的电源电压范围内，这是低电压，微型采集设计。

高度集成的器件的使用也有助于消除浪费的功率。混合信号片上系统（SoC）器件，如前面提到的Microchip PIC12LF1840T48A，Silicon Labs Si1030x和Texas仪器MSP430F513x结合了无线传感器所需的全部功能，在单个器件上集成了RF，MCU，ADC，GPIO，时钟，稳压器和电源管理单元，从而消除了与片外相关的延迟和功耗低效访问。

这些器件通常提供可编程RF输出功率，以及灵活的工作模式，允许工程师有选择地禁用各个外设。例如，在Silicon Labs Si103x集成MCU中，工程师可以设置片上收发器的工作模式，以禁用部分RF信号链，就像前面提到的独立Si4420 RF收发器芯片一样。在Si103x中，工程师可以设置RF模式，禁用部分信号链，包括功率放大器，接收器单元，PLL等，在完全操作时将动态电流从18.5 mA切换到节省寄存器的待机模式下的450 nA。当然，工程师需要平衡这些节能与重新激活这些阶段所需的额外唤醒时间。

即使使用集成度最高的组件，无线电通信通常也会占无线传感器系统中不成比例的大部分功耗。工程师可以通过优化RF功率和通信协议来最小化功耗。当接收器在物理上靠近时，各个无线传感器节点可以在非常低的输出功率水平下操作。例如，工程师可以使用配备收发器的SoC（例如Silicon Labs Si1030x和Texas Instruments MSP430F513x）提供的RSSI输出（图6）来估算无线网络接收器的接近度并相应地调整发射器输出功率。

《 p》

图6：工程师可以使用SoC中可用的RSSI输出，例如Silicon Labs Si1030x，以优化RF功率输出（由Silicon Labs提供）。

工程师还可以设计无线传感器以适应可用的能源资源。如果无线传感器系统以最小的能量储备运行，它可以设计为改变RF输出功率水平，以与可用的能量储备成比例地缩放，仅在有足够的储备能量以确保完成传输和返回时以全输出功率进行传输。系统进入待机模式。

低开销通信协议的使用还可以显着减轻与通信相关的功率要求。无线传感器数据通信通常在所需通信事务的类型中受到很好的约束。无需支持很长的事务类型列表，工程师可以将数据包消息包减少到可靠地完成数据传输所需的最小开销。

最大化无线传感器系统效率的机会扩展到软件架构。工程师还可以通过选择不同的数据处理方法来优化活动期。例如，使用传感器数据计算趋势的应用程序可能容忍接收历史数据的一定量的延迟。在这种情况下，无线传感器可以唤醒，收集瞬时传感器数据，并立即返回睡眠状态。只有在累积了大量数据点之后，系统才需要保持足够长的唤醒时间，以便为相对耗电的RF电路供电并完成数据传输。