“超省電”設備中的電源管理

     長(cháng)期以來(lái)，在所有行業(yè)和市場(chǎng)中，我們一直都能夠看到對于能夠長(cháng)期運行的高能效、電池供電型設備的需求。隨 著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的興起，嵌入式設計人員正在以很大的精 力關(guān)注“超省電”設備的電源管理。當考慮到需要某種形式 無(wú)線(xiàn)連接的電池供電型設備時(shí)，無(wú)論在簡(jiǎn)單的點(diǎn)對點(diǎn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng) 絡(luò )配置還是更復雜的星型或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )中，這都尤為真實(shí)。有 許多被認為非常適合采用超省電設備類(lèi)型的應用，其中一個(gè) 典型的例子是無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)，從功能上看，它是一個(gè)需要 長(cháng)期運行（在某些情況下長(cháng)達幾年）同時(shí)采用電池供電的相 對簡(jiǎn)單的設備。
要 為 這 類(lèi) 應 用 構 建 成 功 的 產(chǎn) 品 ， 開(kāi) 發(fā) 人 員 必 須 考 慮 整 個(gè) 設 計 的 諸 多 方 面 。 這 些 設 計 考 慮 不 僅 包 括 微 控 制 器
（ M CU ） 和 它 的 能 效 等 級 ， 而 且 也 包 括 系 統 中 的 其 他 元 素，例如無(wú)線(xiàn)接口（不僅僅是物理實(shí)現，也包括使用的無(wú)線(xiàn) 協(xié)議）、系統級電源管理（例如，集成到MCU中的低壓差 調節器或者專(zhuān)用電源管理IC）、傳感器、以及需要收集和處 理傳感器數據的模擬功能。
圖1顯示了無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的關(guān)鍵組成部分。讓我們首 先從MCU開(kāi)始討論，這是設計的核心。
對于電池供電的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)來(lái)說(shuō)，MCU必須具有 超高的能效。RF協(xié)議和數據處理的需求（可能用于信號調 節和數字信號處理）將可能決定32位或者8位MCU的選擇，

圖1  典型的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)架構    

圖2 32位的EFM32 MCU中的低能耗傳感器接口（LESENSE）技術(shù)
盡管如此，無(wú)論MCU如何選擇，許多低能耗需求依然是必要的。例如，把MCU從超低功耗模式喚醒到全速運行模式 的時(shí)間長(cháng)度（例如2μs）將對電池電量節省產(chǎn)生顯著(zhù)的差 異。在這種情形下，MCU喚醒時(shí)間越短越好。在MCU進(jìn)行 功耗模式轉換期間，它不能做任何有意義的事情。
其 他 兩 個(gè) 也 對 系 統 級 能 耗 具 有 顯 著(zhù) 影 響 的 參 數 是 ：
低功耗模式下的能耗（應當<1μA）和活動(dòng)模式期間的能耗
（ 這依賴(lài)于使用的MCU內核以及MCU自身的處理技術(shù)節 點(diǎn)，通常應當在150μA/MHz或以下）。也有其他因素影響 能效，但是這三種因素（計算需求、低功耗模式時(shí)的能耗和 活動(dòng)模式時(shí)的能耗）是最基本的架構考慮因素，將極大影響 應用中MCU的選擇。
系統設計人員也應仔細考慮所選擇的MCU有多少能力 不依賴(lài)于CPU內核本身。例如，通過(guò)傳感器接口的自治處 理能力能夠顯著(zhù)的節省能耗。自治型傳感器接口通過(guò)MCU 為傳感器提供激勵信號（或者電源），能夠讀回和解釋結 果，直到獲得“有用”數據以后才喚醒MCU，這對于最大 化系統電池壽命大有幫助。例如，如圖2所示，Silicon Labs 的EFM32 MCU架構結合了自治型低能耗傳感器接口（又稱(chēng) 為L(cháng)ESENSE）以及片上比較器，能夠從外設傳感器收集數據并且僅僅在有正確或者有用數據后才喚醒CPU，實(shí)現所有功
能所需的超低功耗預算僅僅1.5μA。
雖 然 有 其 他 的 M CU 節 能 措 施 可 考 慮 用 于 超 省 電 型 應 用，但是我們仍然有更多應用可覆蓋我們的簡(jiǎn)單無(wú)線(xiàn)傳感器 節點(diǎn)應用示例?，F在讓我們轉到無(wú)線(xiàn)連接組成部分，我們能 夠考慮幾種顯著(zhù)不同的選項。無(wú)線(xiàn)拓撲（如圖3所示）和協(xié) 議選擇（如圖4所示）都將影響需要維持無(wú)線(xiàn)鏈路的功耗預 算。在某些情形下，采用私有sub-GHz協(xié)議的簡(jiǎn)單點(diǎn)對點(diǎn)連 接可能看起來(lái)是合適的選擇，因為它可能僅需要消耗最少的 電池電量。然而，這個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)線(xiàn)配置限制了傳感器發(fā)揮作 用的部署位置和范圍。
構建在2.4GHz或者sub-GHz技術(shù)上的星型配置增加了傳
感器部署的靈活性，這意味著(zhù)能夠在同一網(wǎng)絡(luò )中部署更多的

圖3  網(wǎng)絡(luò )拓撲示例
傳感器，但是這也可能增加用于傳輸數據的協(xié)議的復雜性，
因此增加RF傳輸量，并且導致消耗更多電池電量。
第三個(gè)值得考慮的選項是基于協(xié)議棧（例如ZigBee）的 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )配置。雖然網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )消耗最大的傳感器節點(diǎn)電池電 量，但是它也提供了包括節點(diǎn)到節點(diǎn)數據傳輸在內的節點(diǎn) 部署的最大靈活性。依賴(lài)于無(wú)線(xiàn)協(xié)議棧（例如ZigBee），網(wǎng) 狀網(wǎng)絡(luò )也能夠提供具有自修復能力網(wǎng)絡(luò )的最可靠部署選項
（即，如果網(wǎng)絡(luò )中的一個(gè)節點(diǎn)發(fā)生了故障，被發(fā)送的消息仍 然能夠發(fā)現另一條路徑而達到目的地）。
與網(wǎng)絡(luò )配置選擇密切相關(guān)的是必須傳輸的數據量，或 者從節點(diǎn)到節點(diǎn)或者從節點(diǎn)到收集器。在傳感器節點(diǎn)，在無(wú) 線(xiàn)鏈路上傳輸的數據量應當相對?。ㄓ绕涫侨绻恍祿?夠在節點(diǎn)的MCU上處理，那么僅僅相關(guān)信息被發(fā)送，而不 是所有收集的數據被傳輸）。因此，ZigBee提供了最佳的網(wǎng) 狀網(wǎng)絡(luò )解決方案；Bluetooth Smart是基于標準的、功耗敏感 型點(diǎn)對點(diǎn)配置的最佳選擇；專(zhuān)利的sub-GHz解決方案在星型 或者點(diǎn)對點(diǎn)配置中為網(wǎng)絡(luò )大小、帶寬和數據負載提供了最大 的靈活性。表1匯總IoT應用中領(lǐng)先的RF技術(shù)的多種關(guān)鍵特性和益處。
考慮采用長(cháng)距離（long-range）技術(shù)和平臺（例如LoRa 和Sigfox）也是有幫助的，它們支持高節點(diǎn)數量網(wǎng)絡(luò )連接， 具有最大數十公里傳輸距離并且仍然支持低功耗系統。使用 這些長(cháng)距離無(wú)線(xiàn)技術(shù)，能夠在極廣的區域部署節能型傳感器 節點(diǎn)。
對于無(wú)線(xiàn)連接來(lái)說(shuō)，另一個(gè)考慮因素是用來(lái)保護傳輸 數據的加密設計。如何處理加密對超省電型設備產(chǎn)生很大影 響。例如，ZigBee加密內建在協(xié)議棧中，但是如果用于運行 協(xié)議棧的MCU（或者處理器內核）沒(méi)有適當的加密硬件， 那么它將不得不采用軟件方法花費更多周期來(lái)運行算法。例 如，在一個(gè)具有AES硬件加速器的ARMCortex-M0+處理器上

圖4  具有內建信號調節功能的環(huán)境光傳感器
運行128位的AES加密邏輯花費54個(gè)周期，而在沒(méi)有硬件加 速器的ARM Cortex-M0+處理器上運行同樣的加密邏輯將花 費4000個(gè)周期，大約是具有硬件加密支持MCU的80倍。當 傳感器節點(diǎn)在無(wú)線(xiàn)鏈路上接收或者發(fā)送數據時(shí)，這將對整體 功耗產(chǎn)生顯著(zhù)的影響。在IoT市場(chǎng)中，無(wú)線(xiàn)鏈路上的安全傳 輸需求正在增加。隨著(zhù)更加復雜的加密需求出現在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò ) 中，這種超省電型設備上電源管理的安全驅動(dòng)的組成部分正 在變得越來(lái)越重要，并且對于開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行硬件選擇帶來(lái)顯 著(zhù)的影響。
就可使用在我們節點(diǎn)示例中的傳感器而言，許多傳感 器選擇都是可行的，從光、環(huán)境、到運動(dòng)傳感器。傳感器的 選擇最終是由你要測量什么而決定。在我們的例子中，我們 將選擇環(huán)境光強度測量。有幾個(gè)選項用于測量環(huán)境光，以分 立感測組件開(kāi)始，它們可以被設計實(shí)現非常低的功耗，但是 這種方法把信號的調節和處理負擔放到了MCU上。其結果
表1  RF協(xié)議之間的主要不同點(diǎn)
是MCU將需要在更長(cháng)的時(shí)間周期內處于活動(dòng)模式；更多外 設將保持活動(dòng)狀態(tài)，例如模數轉換器（ADC）等，從而整 體系統功耗將會(huì )上升?？蛇x的另一種選項是使用內建智能的 環(huán)境光傳感器，如圖4所示。
把信號調節內建到傳感器中提供了一些顯著(zhù)優(yōu)勢。被 發(fā)送到MCU的數據將是可被應用快速且容易解釋的相關(guān)數 據，這意味著(zhù)MCU能夠盡可能長(cháng)的保持休眠狀態(tài)。有預調 節過(guò)的數據發(fā)送到數字接口，例如SPI或者I2C，也意味著(zhù) MCU能夠比使用自身ADC更有效的收集數據。雖然這個(gè)示 例中指定了環(huán)境光感測，但是許多其他傳感器有類(lèi)似的實(shí)現 方式，包括內建的智能且能提供數據給主機MCU，這些能 夠即時(shí)的實(shí)現降低整體系統功耗的目標。
超低功耗型設備應用中最后的設計考慮是簡(jiǎn)化系統本 身供電。依賴(lài)于應用中使用的電池類(lèi)型，如果需要比電池 所提供更多的電壓或電流，通常需要升壓轉換器或者升壓開(kāi) 關(guān)調節器。例如，如果你正在使用1.5V單節紐扣電池，但是 需要為MCU產(chǎn)生3.3V供電，那么當考慮整體設備電源管理 時(shí)，你需要考慮支持這個(gè)功能。因此在這里的慎重選擇可能
再次對系統的整體功耗產(chǎn)生重要影響。大多數可用的升壓轉換器消耗大約5-7μA電流， 但是如
果設備大多數時(shí)間處于休眠模式，那 么這將是一項沉重的負擔?，F在已經(jīng) 有具有1μA功耗甚至低至150nA的升壓 轉換器（同時(shí)維持高升壓效率）供選
擇。對 于 更 復 雜 的 系 統 ， 考 慮 采 用 電源管理集成電路（PMIC）更精確 的控制整個(gè)系統是值得的。從單一電 源，你能夠產(chǎn)生多個(gè)電壓以驅動(dòng)嵌入 式系統中的不同組成部分，調諧每一電壓能夠提供恰好的應 用所需，而沒(méi)有任何能源浪費。例如，你能夠單獨的為系統 中的無(wú)線(xiàn)部分提供電源，這意味著(zhù)無(wú)線(xiàn)部分能夠在不使用時(shí) 完全的關(guān)閉（如果協(xié)議支持這種能力）?；蛘?，如果你有支 持I/O和內核分別供電的MCU，你能夠通過(guò)使用PMIC再次 獲得最佳MCU能耗，并且也能夠為應用中使用的傳感器提
供單獨的電源。
高品質(zhì)的PMIC也將為一般系統控制提供額外的功能， 例如看門(mén)狗定時(shí)器和復位能力。PMIC不適合所有的應用， 部分原因是由于額外的成本，但是在可承受額外成本的應用 中，PMIC方式代表了超省電型應用中整體系統能耗管理的 極佳途徑。
總之，在開(kāi)發(fā)電池供電的超省電型應用中，有多種不 同的系統設計方面涉及其中。不僅僅是半導體器件選擇和軟 件整體設計，包括無(wú)線(xiàn)協(xié)議棧、加密和數據處理，都是重要 的考慮因素。每一種設計元素都能夠顯著(zhù)的影響系統的總體 功耗預算，幫助你構建具有最大化電池有效使用壽命的超省 電型設備，這正是良好的IoT系統設計的關(guān)鍵所在。