伴隨您的一生：長(cháng)期工作的超低功耗系統之設計

伴隨您的一生：長(cháng)期工作的超低功耗系統之設計

通過(guò)降低占空度及減小處理器、軟件與模擬接口的功率需求，系統就可達到1mA量級的平均電流消耗。
　　要點(diǎn)
　　超低功耗設備必須能在無(wú)需更換電池或給電池充電的條件下工作；
　　低占空度是關(guān)鍵，系統應將其99%以上的時(shí)間花在“休眠”模式上；
　　系統并非總是局限于一個(gè)“低功耗”處理器上；
　　有幾種設計方法可減少傳感器接口功耗。
　　便攜式消費電子設備的需求最近一直在推動(dòng)電子系統低功耗設計技術(shù)的發(fā)展。這些設備一般采用輕便電池作為電源，且為了能裝入口袋或公文包中，對設備的尺寸也提出了相應的限制。盡管這些功率限制要比采用墻式插座電源的系統更為嚴格，但功率仍比較富裕。畢竟，用戶(hù)可以每天晚上對其iPod MP3播放機或手機進(jìn)行充電。
　　那要怎樣用戶(hù)才能永遠不需要對其系統的電池進(jìn)行充電（或更換）呢？這正是那些應用在偏僻場(chǎng)合的系統的設計者所面臨的一個(gè)問(wèn)題（在那里不可能對電池進(jìn)行充電）。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（常常稱(chēng)為智能傳感器或“灰塵”網(wǎng)絡(luò )）就是這樣一種應用，即每一獨立節點(diǎn)的平均電流消耗約為1mA。
　　此外，其它少數幾種消費應用也面臨同樣嚴格的功率限制，其中一個(gè)例子便是常見(jiàn)的家用自動(dòng)調溫器（或恒溫器）。如果將恒溫器設計成需用戶(hù)來(lái)自己更換電池，則不僅會(huì )增加用戶(hù)使用手冊的復雜性，同時(shí)也會(huì )增加花在設備堅固性及接入/接出口上的費用，因此家用恒溫器通常都是密封裝置。德州儀器公司 (TI) MSP430產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Juan Alvarez對恒溫器能量預算的直接計算解釋說(shuō)：“小型鋰離子電池容量大約為220 mAh，如果你能達到2.5mA的平均系統電流消耗，則電池大約能用10年?！倍?0年后，用戶(hù)就該更換恒溫器而不是更換電池了。
　　能以1mA量級平均電流消耗工作的系統的主要特點(diǎn)是占空度低。這種系統有99%以上的時(shí)間處于休眠模式中，而只偶爾蘇醒過(guò)來(lái)輪詢(xún)傳感器、處理和發(fā)送傳感器數據，然后再重新進(jìn)入休眠模式。在設計這種低占空度及超低功耗系統時(shí)，設計者在以下兩個(gè)具有截然不同特點(diǎn)的方面可節省能量，即數字通信和處理，以及傳感放大器和接口電路。
　　在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，通信占去了大部分功率預算。開(kāi)發(fā)商為功率相對有限的系統設計了最流行的無(wú)線(xiàn)協(xié)議。例如，像802.11無(wú)線(xiàn)協(xié)議，以其待機偵聽(tīng)模式，就不適合低占空度網(wǎng)絡(luò )。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設計商Millennial Net公司首席技術(shù)官  Sokwoo Rhee認為，該公司雖考慮了Zigbee等其它無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，但發(fā)現這些協(xié)議需要的功率太多，因此Millennial Net公司轉而開(kāi)發(fā)自己的專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議。Rhee說(shuō)，“我們必須減少來(lái)回發(fā)送的控制數據包的數量，以跟上網(wǎng)絡(luò )拓撲的發(fā)展。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )需要減少開(kāi)銷(xiāo)并能真正有效地發(fā)現和再發(fā)現網(wǎng)絡(luò )。其實(shí)這就是在節省功率，因為你無(wú)需為所有這些（低效網(wǎng)絡(luò )）開(kāi)銷(xiāo)來(lái)使用微控制器?！?br/>　　因此值得我們去創(chuàng )建一種新協(xié)議，因為所產(chǎn)生的連鎖反應不僅限于可節省微控制器的時(shí)間與值機功率。據Rhee稱(chēng)，該公司試圖使所需的代碼覆蓋范圍最小。而像Zigbee協(xié)議的代碼覆蓋范圍則是Millennial Net公司專(zhuān)用協(xié)議的兩倍以上。該定制協(xié)議適合于小型存儲器空間，因此它能使用更小的微處理器，從而消耗更少的功率，并使公司能實(shí)現其節省功率的目標。Millennial Net公司選擇了Microchip公司的PIC16/8LF控制器芯片以實(shí)現其高的功率效率。未來(lái)低占空度及超低功耗設計中的處理器可能會(huì )利用低閥值設計技術(shù)的優(yōu)勢（參見(jiàn)附文：“亞閥值設計保持了低功耗承諾”）。

　　觸發(fā)？
　　令人吃驚的是，有時(shí)人們不必要為低功耗設計選擇一種經(jīng)過(guò)功率優(yōu)化的系統處理器。另一家無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )制造商AvalonRF公司首席技術(shù)官Eli Weinstein也指出，低占空度是滿(mǎn)足超低功耗要求的關(guān)鍵。但AvalonRF公司的系統處理器必須擁有足夠強大的功能來(lái)捕獲、處理并發(fā)送節點(diǎn)所拍攝的快照。該裝置的一個(gè)應用例子是監視水庫或電站等遠端設施的安全。系統必須能以一塊鋰離子電池來(lái)保持長(cháng)達10年的工作時(shí)間。如果有傳感器被脫開(kāi)，則系統會(huì )蘇醒，然后捕獲、處理并發(fā)送一張圖像給決策者，由他來(lái)確定是什么觸發(fā)了這一事件。
　　Weinstein說(shuō)，盡管模擬器件公司(ADI)的32位Blackfin微控制器并不是一種最適合用作低功耗處理器的微控制器，但AvalonRF公司設計人員還是采用了一片以低占空度工作、平均電流消耗小于1mA的Blackfin ADF 7020型芯片。Weinstein認為“如果你打開(kāi)Blackfin芯片上的時(shí)鐘，你就會(huì )發(fā)現它的功耗很小?！敝匾氖堑驼伎斩裙ぷ髂苁固幚砥饕怨β使澥∧Ｊ疥P(guān)閉時(shí)鐘，然后再隨時(shí)響應。因此一些處理器必須經(jīng)過(guò)一個(gè)長(cháng)長(cháng)的功率消耗重啟過(guò)程?！?br/>

　　這些超低功耗及低占空度系統中的傳感器至處理器電路，同樣必須為低功耗器件。目標是選擇一種既擁有足夠的性能來(lái)滿(mǎn)足系統信號處理要求、同時(shí)又只需要該性能水平所需的最低功耗的放大器。對功耗有較大影響的一些運放參數為噪聲性能、轉換速率與輸出電流驅動(dòng)。此外，盡管不那么重要，但偏置電流與電壓源下降也會(huì )對功耗有影響。
　　不幸的是，低功耗放大器具有高于標準運算放大器的噪聲指標。凌特科技（Linear Technology）公司信號處理應用經(jīng)理Tim Regan解釋了設計約束如何使裝置噪聲惡化這一問(wèn)題：“當你讓放大器的所有晶體管全都缺少電流時(shí)，你通常不得不使用2MΩ~3MΩ量級的極大（內部）電阻器。超低功耗系統設計者必須清楚這一點(diǎn)，大電阻器即意味著(zhù)高熱噪聲?！?br/>　　例如，標準運放在1kHz時(shí)可能擁有10nV/√Hz的噪聲電壓，以及毫安量級的抽運電流。請將這一數字與只抽運1mA 電源電流但卻具有185 nV/√Hz噪聲電平的LT1494/5/6單/雙/四運放進(jìn)行比較，后者顯然大大高于前者。
　　為適應低功耗運放不可避免的高噪聲，系統設計者常常需要增加濾波功能。在進(jìn)行常規功耗設計時(shí)，設計人員通常會(huì )試圖避免采用過(guò)濾技術(shù)，因為這會(huì )增加延時(shí)；但在超低功耗設計中，時(shí)間被有效地放慢了，這是放大器在如此低電流上工作，以至于沒(méi)有多少電流可用來(lái)對放大器內部電容進(jìn)行充電、且只有毫微安級電流在運放內部節點(diǎn)上流動(dòng)。因此，低功耗運放擁有更低的、以mV/s而不是以V/s來(lái)表示的轉換速率?！白鳛橐幻驼伎斩认到y設計者，” Regan認為，“你必須具有的一種素質(zhì)就是耐心，因為一切都很緩慢。但另一方面，這又給你足夠的時(shí)間來(lái)濾波，因為你并不準備獲得任何超出你系統的帶寬。因此你盡管去濾除噪聲吧，它能稍微緩解你高噪聲設計的痛苦?！?/p>