采用電壓控制方式提高無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的效率

無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的發(fā)展提供了動(dòng)力。無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)最重要的方面是它們應(yīng)該對(duì)其本地環(huán)境的變化做出反應(yīng)并且能夠高效地存儲(chǔ)多年的單個(gè)電池充電 - 可能是傳感器的整個(gè)預(yù)期壽命。為了確保傳感器僅對(duì)重要變化做出反應(yīng)，將會(huì)將越來(lái)越復(fù)雜的軟件下載到它們中。反過(guò)來(lái)，這需要高效的處理器，例如基于32位ARM®Cortex®-M架構(gòu)的處理器，或者對(duì)于更簡(jiǎn)單的傳感器，需要改進(jìn)版本的8位內(nèi)核，例如8051.

系統(tǒng)級(jí)功耗由許多變量決定，這些變量超出了處理器本身的功率效率。為了提高效率，低能耗MCU采用了許多智能外設(shè)來(lái)代表核心處理器控制硬件。這些外設(shè)在不同的時(shí)間運(yùn)行，并且功率需求會(huì)在毫秒到毫秒的基礎(chǔ)上發(fā)生變化。他們需要靈活的電源架構(gòu)來(lái)支持這一點(diǎn)。

需要控制系統(tǒng)各個(gè)部分甚至集成到MCU本身的外設(shè)的原因是為了支持低占空比。占空比決定了MCU處理器在其使用壽命期間喚醒和處理數(shù)據(jù)的時(shí)間以及斷電和休眠的時(shí)間。低占空比很重要，因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)的處理器幾乎所有時(shí)間都在睡覺(jué)，以節(jié)省能源。

低占空比策略已被證明在處理器的電表的設(shè)計(jì)中非常有效核心可能會(huì)睡眠整個(gè)生命周期的99%。它只喚醒傳感器輸入的數(shù)據(jù)，通常是在預(yù)定的時(shí)間或響應(yīng)未安排的中斷。智能外設(shè)通過(guò)檢查輸入數(shù)據(jù)而無(wú)需喚醒處理器來(lái)支持此功能。只有超過(guò)閾值時(shí)，外設(shè)才會(huì)觸發(fā)中斷，使處理器處理環(huán)境變化。此策略可確保僅處理重大更改。那些意味著變化很小的東西可以在內(nèi)存中排隊(duì)并在處理器內(nèi)核因其他原因被喚醒時(shí)處理。

例如，在計(jì)量應(yīng)用程序中，寄存器編碼器記錄天然氣的流量或水作為一系列脈沖。如果沒(méi)有硬件支持，MCU的處理器必須喚醒并采樣I/O引腳的狀態(tài)，以確定開(kāi)關(guān)是打開(kāi)還是關(guān)閉。如果它是物理簧片開(kāi)關(guān)，則需要額外的處理來(lái)消除開(kāi)關(guān)并管理上拉電阻以檢查它是否是有效脈沖并最小化通過(guò)閉合開(kāi)關(guān)的電流消耗。

能量?jī)?yōu)化方法是使用專(zhuān)用輸入捕獲定時(shí)器，該定時(shí)器可在器件處于睡眠模式時(shí)自動(dòng)操作。開(kāi)關(guān)閉合可以累積在硬件寄存器中，幾乎不需要軟件干預(yù)。諸如開(kāi)關(guān)去抖動(dòng)，上拉電阻管理和自校準(zhǔn)等功能可以直接集成在硬件中。通過(guò)兩個(gè)定時(shí)器輸入，可以支持正交解碼功能來(lái)確定流向。這提供了回流檢測(cè)功能以及防篡改功能，這兩種功能都用于觸發(fā)讓處理器做出反應(yīng)并發(fā)送警告消息的中斷。專(zhuān)用的低功耗輸入捕捉定時(shí)器在3.6 V時(shí)僅消耗400 nA，即使采樣率高達(dá)500 Hz，如果在軟件中執(zhí)行也超過(guò)1μA。

另一個(gè)例子是準(zhǔn)備射頻傳輸?shù)南?。必須多次操作?shù)據(jù)。需要從儀表傳輸?shù)绞占鞯?0字節(jié)消息有效負(fù)載一旦由軟件準(zhǔn)備就會(huì)暫時(shí)存儲(chǔ)在SRAM中。為了在目的地接收之后確保其完整性，計(jì)算循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)并將其附加在消息的末尾。然后，需要使用方案(例如曼徹斯特，3：6)對(duì)整個(gè)消息進(jìn)行編碼，以提高傳輸可靠性。該編碼消息通過(guò)串行接口傳遞到無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器。

專(zhuān)用數(shù)據(jù)包處理引擎(DPPE)可用于對(duì)收發(fā)器執(zhí)行CRC，編碼和中繼，遠(yuǎn)比軟件更有效，允許處理器在發(fā)生時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)。使用DPPE不僅減少了執(zhí)行功能所需的時(shí)間，而且還減少了在此期間的電流消耗，因?yàn)椴粫?huì)訪(fǎng)問(wèn)往往需要大量電流的閃存。相反，所有操作都在本地內(nèi)存上。在活動(dòng)模式下，最終結(jié)果可以降低90%的功率。

圖1：數(shù)據(jù)包CRC和編碼任務(wù)的軟件和DPPE的執(zhí)行時(shí)間和電流消耗的比較。

提供設(shè)計(jì)人員通過(guò)多種方式降低壽命能耗，為此類(lèi)應(yīng)用設(shè)計(jì)的MCU提供了多種休眠模式，可以逐步從各種組件內(nèi)核中斷電，將其狀態(tài)存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器或?qū)Ｓ玫牡托孤┘拇嫫髦?，直到幾乎所有設(shè)備都已斷電。例如，深度睡眠允許除了核心外設(shè)之外的所有外設(shè)(例如實(shí)時(shí)時(shí)鐘)斷電，這也消除了驅(qū)動(dòng)片上邏輯時(shí)鐘的鎖相環(huán)等電路的需要。

< p>低能耗睡眠模式極大地延長(zhǎng)了傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用中的電池壽命，但是當(dāng)MCU處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可以進(jìn)一步降低功耗。在活動(dòng)期間，任何邏輯電路的功耗由公式CV²f給出，其中C是器件內(nèi)電路路徑的總電容，V是電源電壓，f是工作頻率。

為了最大化系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活性，MCU使用的工藝技術(shù)支持高達(dá)3.6 V的電壓。但是，由于在較低電壓下工作的能耗優(yōu)勢(shì)，內(nèi)部電路將使用可設(shè)置為1.8 V的電源甚至更少。由于實(shí)施起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，大多數(shù)MCU供應(yīng)商使用線(xiàn)性穩(wěn)壓器，通?；诘蛪翰?LDO)設(shè)計(jì)，將電池組的輸入電壓轉(zhuǎn)換為所需的內(nèi)部電源;但線(xiàn)性轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)單性與低效率有關(guān)。

系統(tǒng)內(nèi)需要多個(gè)LDO為MCU外部提供不同的外設(shè)，例如RF收發(fā)器，每個(gè)都可能是由電池直接供電。這種結(jié)構(gòu)的問(wèn)題在于，例如，如果電池向內(nèi)部工作電壓為1.8 V的RF收發(fā)器提供3.6 V的電壓，則轉(zhuǎn)換效率僅為50%。當(dāng)輸入電壓降至1.8 V時(shí)，可以采用1.8 V至3.6 V電壓的RF收發(fā)器將提高其電壓轉(zhuǎn)換效率。需要考慮MCU外部每個(gè)外設(shè)的這種影響。

圖2：基于LDO和DC/DC轉(zhuǎn)換器的MCU設(shè)計(jì)的能效比較。

Silicon Labs采用的方法諸如C8051F960或SiM3L1xx等MCU將采用開(kāi)關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器。切換轉(zhuǎn)換的使用導(dǎo)致更高的效率。該技術(shù)使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)將電荷包饋送到輸出電路，該輸出電路使用電感器和電容器的組合將數(shù)據(jù)包平滑成適合于負(fù)載的恒定輸出電壓和電流。片外DC/DC轉(zhuǎn)換器可以執(zhí)行此功能，但這會(huì)增加系統(tǒng)的組件數(shù)。在尺寸方面受到挑戰(zhàn)時(shí)，系統(tǒng)可能無(wú)法承受這一點(diǎn)，這通常是傳感器節(jié)點(diǎn)的情況。

除了降低MCU的有源模式電流外，集成的高效DC/DC轉(zhuǎn)換器有助于減少系統(tǒng)其他部分的電流需求。通過(guò)將DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓配置為由MCU控制并從MCU的電壓輸出線(xiàn)饋送的外部外設(shè)的最低可接受設(shè)置，可以最大限度地降低總功耗。對(duì)于外部RF收發(fā)器，外部電壓輸出可設(shè)置為1.8 V并降低其總電流需求。

集成DC/DC轉(zhuǎn)換器在電路級(jí)能量?jī)?yōu)化方面提供了更多機(jī)會(huì)設(shè)計(jì)人員可以將電壓與性能進(jìn)行權(quán)衡以適應(yīng)目標(biāo)應(yīng)用。例如，EFM Pearl Gecko的能源管理單元可對(duì)片上穩(wěn)壓器進(jìn)行可編程控制。這使得可以在電池電壓下降到足以影響轉(zhuǎn)換效率時(shí)關(guān)閉穩(wěn)壓器，并且在沒(méi)有中間轉(zhuǎn)換的情況下直接從電池驅(qū)動(dòng)MCU電路更有意義。另一個(gè)使用的例子是在睡眠期間，其中一個(gè)更簡(jiǎn)單的低電流轉(zhuǎn)換器僅驅(qū)動(dòng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘，以確保它在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間提供喚醒中斷。

圖3：EFM32 Pearl Gecko的內(nèi)部電壓架構(gòu)顯示旁路線(xiàn)。

某些電路繞過(guò)片上DC/DC轉(zhuǎn)換器以避免執(zhí)行雙轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。例如，閃存塊通常包含電荷泵，以在寫(xiě)入操作期間向存儲(chǔ)器線(xiàn)提供所需的較高電壓。根據(jù)應(yīng)用需要，模擬模塊也可以由直接電池供電或DC/DC轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)。例如，直接連接電池而不是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器將有助于降低模擬電路中的噪聲。

因此，具有集成功率轉(zhuǎn)換功能的MCU(如Silicon Labs系列中的那些)可提供此功能調(diào)整系統(tǒng)級(jí)能耗，提供更高效的傳感器節(jié)點(diǎn)和更長(zhǎng)的電池壽命。