超低功耗技術(shù)可延長(cháng)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)傳感器使用壽命

導讀：

物聯(lián)網(wǎng)(IoT) 中一個(gè)最大的技術(shù)挑戰就是傳感器節點(diǎn)會(huì )出現在任何地方。這些傳感器能夠在已聯(lián)網(wǎng)住宅中被用于測量溫度和濕度、在實(shí)施養護監視中被用于測量高速公路橋梁的機械應力，或是在智能流量計量過(guò)程中被用于測量燃氣和自來(lái)水使用量等參數。這些數據被服務(wù)器采集處理后，需要一個(gè)廣泛的覆蓋區域，通過(guò)可靠數據從而形成穩健耐用的網(wǎng)絡(luò )。實(shí)現這一過(guò)程的技術(shù)即是將傳感器數據無(wú)線(xiàn)傳輸至一個(gè)中央主機系統。

為了實(shí)現諸如此類(lèi)的大型網(wǎng)絡(luò )，還必須將另外一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域考慮在內，那就是整個(gè)傳感器節點(diǎn)必須有非常長(cháng)的運行使用壽命這一特征。使用壽命越長(cháng)，養護成本越低。借助微控制器的功率優(yōu)化和諸如LiSOC12主電池的電池類(lèi)型，這些處理器的供電運行時(shí)間可以達到10年或更長(cháng)的時(shí)間。

直到今天，更長(cháng)距離的傳感器數據射頻(RF)傳輸還未得到廣泛實(shí)施。這個(gè)無(wú)線(xiàn)特性使得系統的功耗考慮更加復雜。雖然無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)需要消耗盡可能低的平均功率，它還必須能夠為偶爾出現的數據傳輸傳送高峰值電流。

從功耗角度來(lái)講，這便意味著(zhù)傳感器系統內的最低靜態(tài)電流與針對功率放大器的高效高功率能力之間需要相互組合。這也意味著(zhù)器件、以及整體電源架構本身選型方面的全新挑戰。

低靜態(tài)電流和長(cháng)使用壽命

為了確保IoT-傳感器成為現實(shí)，傳感器的運行必須具有成本有效性。一旦傳感器被安裝和啟動(dòng)，它的運行時(shí)間需要盡可能的長(cháng)，以最大限度地減小養護訪(fǎng)問(wèn)周期，并節約成本。

這意味著(zhù)，一方面，必須選擇經(jīng)久耐用的材料和組件。另一方面，內部電路也必須特有最低靜態(tài)電流，以便在電池電能一定的情況下獲得更長(cháng)的運行時(shí)間。

目前，這些應用使用特定的主電池。諸如LiSOC12的化學(xué)電池類(lèi)型特有超過(guò)1Wh/cm³的非常高的能量密度，并且人們可在市面上輕易地買(mǎi)到。這些主電池的自放電極低，而這正是需要考慮的另外一個(gè)方面。這就使得它們成為延長(cháng)應用使用壽命的第一選擇。

為了從這些參數中受益，電池電流必須被限制在5mA以下。超過(guò)了這個(gè)值的電流會(huì )增加自放電率，從而降低電池的使用壽命。由于內部阻抗，更高的電流也會(huì )強制端子電壓增加。除了優(yōu)化電池本身，為了盡可能地減少電流泄露，也必須優(yōu)化耗能組件和電源架構。

超低功耗微控制器片上系統(SoC)器件特有數個(gè)低功耗模式，以減少流耗。一個(gè)超低功耗SoC延長(cháng)了應用使用壽命，其原因在于其執行的待機模式，當直接與電池相連時(shí)，器件的流耗大約為2µA。圖1顯示的是這款器件在低功耗模式 (LPM3)下的電源電流。流耗取決于電源電壓(綠色跡線(xiàn))。

當SoC與一個(gè)超低功耗降壓轉換器組合在一起使用，以減少電源電壓時(shí)，流耗被進(jìn)一步減少。這些是靜態(tài)電流為幾百分之毫微安培的降壓轉換器。藍色跡線(xiàn)顯示的是，把電源電壓降壓至2.1V后，這個(gè)應用汲取的電流。電池電壓越高，節省的電能就越多，其原因來(lái)自高效的降壓轉換。在3.6V的典型LiSOC12電池端子電壓上，總體流耗比直接電池連接下降了30%。

圖1：將微控制器SoC與一個(gè)降壓升壓轉換器組合在一起，可以將功耗減少30%

針對無(wú)線(xiàn)傳輸的峰值功率

除了低IQ方面，傳感器必須將搜集和處理的數據傳至一個(gè)基站。例如，可以是一個(gè)本地數據集中器，它常用于公寓樓內的智能燃氣傳感器。除了無(wú)線(xiàn)儀表計量總線(xiàn)(無(wú)線(xiàn)M-Bus)，這也可以是用于高速橋梁上現場(chǎng)傳感器節點(diǎn)的全球移動(dòng)通信系統 (GSM) 基礎設施。

一個(gè)典型的工作模式就是全天搜集和處理數據，然后將采集到的數據在一天之內最多傳輸數次。從功率角度來(lái)講，這表示，大多情況都需要維持在數微安范圍內的低平均流耗，偶爾則需要對僅出現數毫秒的更高電流做出相應支持。因此，數據傳輸所需要的能量數量取決于范圍和射頻協(xié)議。廣泛使用的標準是無(wú)線(xiàn)M-Bus和GSM。

表1中顯示的是三種常見(jiàn)標準之間的比較。每個(gè)標準具有一個(gè)典型的無(wú)線(xiàn)電放大器功率條件，以及傳輸持續時(shí)間內所需要的電流。無(wú)線(xiàn)標準放大器條件示例電流持續時(shí)間

wM-Bus, 868MHz27dBm POUT, 3.3V100mA40ms

wM-Bus, 169MHz30dBm POUT, 3.6V300mA100ms

GSM2G高工功率，3.7V2000mA每時(shí)槽577µs

表1：幾個(gè)無(wú)線(xiàn)示例間的功率屬性比較

在某些情況下，無(wú)線(xiàn)電放大器需要的電流高達2.5A。上面描述的電池類(lèi)型無(wú)法傳送這樣的電流量。為了不降低LiSOC12鋰一次型電池的使用壽命，甚至應該避免5mA以上的電流。

能量緩沖概念

為了實(shí)現所述的脈沖負載運行，需要考慮全新的電源管理概念。由于電池不能傳送所需的電流，在無(wú)線(xiàn)電未激活時(shí)，要將所需的能量?jì)Υ嫫饋?lái)，使其可以在無(wú)線(xiàn)電被激活時(shí)使用。為了實(shí)現這一點(diǎn)，需要設計一個(gè)全新的電源概念來(lái)緩沖能量，并且將負載峰值從電池上去耦合?？捎糜谀芰烤彌_的比較好的介質(zhì)是儲能電容器，因為它們能量密度高和電容值大。

當使用一個(gè)開(kāi)關(guān)模式電源 (SMPS)時(shí)，一個(gè)電容器可以用與電池不同的電壓進(jìn)行高效充電。這可以在限流運行中完成，然后定義電池的負載電流。

一旦能量被存儲在電容器中，電壓會(huì )被轉換為所需要的值，例如用于微控制器SoC的1.9V，或者針對無(wú)線(xiàn)電功率放大器的3.7V。這個(gè)轉換過(guò)程從緩沖電容器中獲得電能，并且將負載從電池上斷開(kāi)(圖2)。

圖2：電容器儲能概念

當使用一個(gè)SMPS緩沖電源架構時(shí)，能量存儲采用2個(gè)基本概念：

升壓-儲能-降壓

降壓-儲能-升壓

在概念1中，將電池電壓升至較高電壓，并為電容器充電。然后，電壓被下降到SoC或放大器所需要的值。

這個(gè)概念會(huì )使用更小的電容器值，其原因在于，存儲的能量與電容器電壓的平方成正比。這個(gè)電壓的值越高，同一電容器中存儲的能量就越多。一旦電能被存儲在電容器中，電壓就被下降到所需的值。傳輸所需的能量提取自電容器，并因此從電池上斷開(kāi)。

第二個(gè)架構使用一個(gè)直接接至電池的降壓轉換器。電壓被下降，以便為電容器充電。在這里，因為電壓較低，儲能電容值必須較高。然而，這樣的話(huà)就可以使用電氣雙層電容器(EDLC)，此類(lèi)電容器具有數法拉第的大容量，并且可以輕松購得。在儲能電容器之后，電壓被升壓至所要求的值(圖3)。

圖3：包括“降壓-儲能-升壓”緩沖的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)電源機制

除了可用的電容值較高，這個(gè)機制特有3個(gè)優(yōu)勢：

該機制具有較低的儲能電容器電壓。與一個(gè)用更高電壓進(jìn)行充電的電容器相比，這個(gè)機制需要考慮的安全注意事項較少。

這個(gè)已經(jīng)被下降的電壓可被用來(lái)直接為SoC微控制器供電。這樣的話(huà)，只用一個(gè)始終處于激活狀態(tài)的SMPS，可以減少總體流蠔。

較低的電壓可以使EDLC類(lèi)型電容器的使用成為可能。這些電容器可以提供高電容值。

當在一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器中使用一個(gè)降壓-儲能-升壓概念時(shí)(圖3)，EDLC的最低電壓由SoC電源電壓的最小需求量定義。然后，通過(guò)在無(wú)線(xiàn)電傳輸之前，將電容器充電至其2.7V的最大電壓，這個(gè)能量就被緩沖起來(lái)。這樣就把平均電源電壓保持在大約1.9V的最小值。在無(wú)線(xiàn)電傳輸期間，EDLC被放電至所定義的最小電壓。

要求最低靜態(tài)電流器件同時(shí)具有高功率是對電源架構的一個(gè)挑戰。通過(guò)將所需能量存儲在一個(gè)EDLC中，使用“降壓-儲能-升壓”的能量緩沖概念可以解決負載峰值去耦合的問(wèn)題。由于微控制器的電源電壓較低，它還可以實(shí)現更低的總體功耗。由于儲能電容器使用一個(gè)較低電壓，所以安全問(wèn)題和顧慮更少。這個(gè)概念可以將儲能電容器中緩沖的能量與更低的總體流耗組合起來(lái)，以實(shí)現更長(cháng)的應用運行時(shí)間。