如何設計智能燃氣表實(shí)現能源效率最大化

對于需要RF連接的嵌入式控制系統來(lái)說(shuō)，電子水表和燃氣表可以作為最具挑戰性低功耗設計的典型代表。這些系統的特點(diǎn)是電池供電(例如：燃氣表和水表安裝點(diǎn)一般不提供墻電)，并要求電池使用壽命為20年以上。公共事業(yè)供應商提出這個(gè)要求，是因為僅一次專(zhuān)家維護的成本就超過(guò)智能儀表的全部成本。由于有超長(cháng)壽命的設計要求，幾乎所有水表和燃氣表都使用鋰亞硫酰氯(LiSOCl2)化學(xué)電池，因為其非常低的自放電特性，在儀表中的使用壽命可達20年以上。然而，這種電池價(jià)格昂貴(約1.5美元/安時(shí))，導致單個(gè)水表或燃氣表中電池BOM成本高達10~15美元。

許多智能儀表供應商決定通過(guò)擴展產(chǎn)品的通信覆蓋范圍使其產(chǎn)品脫穎而出。在他們的系統網(wǎng)絡(luò )拓撲結構中，一定數量的儀表通過(guò)sub-GHz網(wǎng)絡(luò )發(fā)送使用和計費信息到安裝在電線(xiàn)桿上的中繼器，中繼器收集匯總信息并通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò )或其他回傳通道發(fā)送到公共事業(yè)服務(wù)商。中繼器可以支持大約1000個(gè)儀表節點(diǎn)。然而，中繼器成本往往是單個(gè)儀表節點(diǎn)成本的10~100倍。儀表供應商通常要面對來(lái)自其客戶(hù)的壓力，要求降低網(wǎng)絡(luò )中中繼器的數量，解決這一問(wèn)題最現實(shí)的方法是提高發(fā)射器(TX)鏈路的穩固性。

改進(jìn)TX鏈路預算的方法有許多。一種最顯而易見(jiàn)的解決方案是使用功率放大器(PA)增大發(fā)射器輸出功率。然而就電池使用壽命而言，這種方法的成本也最高。另一種解決方案是增強協(xié)議，盡量減少信息錯誤和隨之而來(lái)的重傳次數。雖然這種技術(shù)比簡(jiǎn)單增加PA的方法更加節省功耗，但仍然比當前功率預算增加大約40%。

假設重新設計的智能儀表有以下三個(gè)設計要求：

? 40%以上的功率預算分配給TX功能，以增加覆蓋范圍

? 維持現有LiSOCl2電池大小(A)和容量(3650mA-hr)

? 維持現有的電池使用壽命20年

策略很明確，在TX預算范圍內增加功耗，但不增加整體功耗預算，這就意味著(zhù)必須降低其他功能區功耗，例如：RX、工作模式和休眠模式預算。圖1顯示原始功耗預算和重新設計后的目標預算。

圖1 智能儀表應用功耗預算對比更高電壓轉換效率

為了增加CMOS電路性能并降低其功耗，芯片設計人員通常采用最小尺寸并且實(shí)用的裝置來(lái)構建集成電路。一般情況下，嵌入式處理器和RF收發(fā)器采用0.18μm、0.13μm甚至90nm工藝設計。降低裝置功率消耗的一個(gè)關(guān)鍵指標是降低內部工作電壓，從而降低CVf開(kāi)關(guān)損耗。

即使電池供電裝置支持3.6V供電電壓，裝置通常也可以在很低的內部電壓下工作。

市場(chǎng)上幾乎所有裝置內部都集成片上低壓差線(xiàn)性穩壓器(LDO)，當輸入電壓為3.6V時(shí)，調節輸出一個(gè)很低的片內電壓，通常為1.8V或更低。換句話(huà)說(shuō)，一個(gè)輸入電壓為3.6V的線(xiàn)性穩壓器輸出電壓為1.8V，將產(chǎn)生50%轉換效率。顯然，隨著(zhù)輸出電壓的下降，這種效率將變得更差。

更先進(jìn)的嵌入式控制器，例如圖2中C8051F960 MCU，集成了比LDO控制器效率更高的開(kāi)關(guān)型穩壓器。大多數情況下，此裝置開(kāi)關(guān)效率可高達85%，可以降低來(lái)自電池的總體電流并延長(cháng)電池壽命。

圖2 傳統MCU和先進(jìn)MCU的開(kāi)關(guān)效率對比

采用這種方法，可以大大降低當前RX功率預算。

也就是說(shuō)，無(wú)線(xiàn)電接收器所消耗的電池電流大約是使用DC-DC降壓轉換器(而不僅僅是LDO)的62.5%。采用這種方法的實(shí)際結果是降低了RX電流功耗預算。

隨著(zhù)這一改變的實(shí)現，我們已經(jīng)接近滿(mǎn)足新RX功耗預算要求(例如圖3所示：從30%降至19%，盡管目標是降至18%)。接下來(lái)，我們有必要繼續優(yōu)化系統中的其他運行模式。