“超省電”設(shè)備中的電源管理

     長期以來，在所有行業(yè)和市場中，我們一直都能夠看到對于能夠長期運(yùn)行的高能效、電池供電型設(shè)備的需求。隨 著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的興起，嵌入式設(shè)計(jì)人員正在以很大的精 力關(guān)注“超省電”設(shè)備的電源管理。當(dāng)考慮到需要某種形式 無線連接的電池供電型設(shè)備時，無論在簡單的點(diǎn)對點(diǎn)無線網(wǎng) 絡(luò)配置還是更復(fù)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(rèn)為非常適合采用超省電設(shè)備類型的應(yīng)用，其中一個 典型的例子是無線傳感器節(jié)點(diǎn)，從功能上看，它是一個需要 長期運(yùn)行（在某些情況下長達(dá)幾年）同時采用電池供電的相 對簡單的設(shè)備。
要 為 這 類 應(yīng) 用 構(gòu) 建 成 功 的 產(chǎn) 品 ， 開 發(fā) 人 員 必 須 考 慮 整 個 設(shè) 計(jì) 的 諸 多 方 面 。 這 些 設(shè) 計(jì) 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(tǒng) 中 的 其 他 元 素，例如無線接口（不僅僅是物理實(shí)現(xiàn)，也包括使用的無線 協(xié)議）、系統(tǒng)級電源管理（例如，集成到MCU中的低壓差 調(diào)節(jié)器或者專用電源管理IC）、傳感器、以及需要收集和處 理傳感器數(shù)據(jù)的模擬功能。
圖1顯示了無線傳感器節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵組成部分。讓我們首 先從MCU開始討論，這是設(shè)計(jì)的核心。
對于電池供電的無線傳感器節(jié)點(diǎn)來說，MCU必須具有 超高的能效。RF協(xié)議和數(shù)據(jù)處理的需求（可能用于信號調(diào) 節(jié)和數(shù)字信號處理）將可能決定32位或者8位MCU的選擇，

圖1  典型的無線傳感器節(jié)點(diǎn)架構(gòu)    

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(yùn)行模式 的時間長度（例如2μs）將對電池電量節(jié)省產(chǎn)生顯著的差 異。在這種情形下，MCU喚醒時間越短越好。在MCU進(jìn)行 功耗模式轉(zhuǎn)換期間，它不能做任何有意義的事情。
其 他 兩 個 也 對 系 統(tǒng) 級 能 耗 具 有 顯 著 影 響 的 參 數(shù) 是 ：
低功耗模式下的能耗（應(yīng)當(dāng)<1μA）和活動模式期間的能耗
（ 這依賴于使用的MCU內(nèi)核以及MCU自身的處理技術(shù)節(jié) 點(diǎn)，通常應(yīng)當(dāng)在150μA/MHz或以下）。也有其他因素影響 能效，但是這三種因素（計(jì)算需求、低功耗模式時的能耗和 活動模式時的能耗）是最基本的架構(gòu)考慮因素，將極大影響 應(yīng)用中MCU的選擇。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員也應(yīng)仔細(xì)考慮所選擇的MCU有多少能力 不依賴于CPU內(nèi)核本身。例如，通過傳感器接口的自治處 理能力能夠顯著的節(jié)省能耗。自治型傳感器接口通過MCU 為傳感器提供激勵信號（或者電源），能夠讀回和解釋結(jié) 果，直到獲得“有用”數(shù)據(jù)以后才喚醒MCU，這對于最大 化系統(tǒng)電池壽命大有幫助。例如，如圖2所示，Silicon Labs 的EFM32 MCU架構(gòu)結(jié)合了自治型低能耗傳感器接口（又稱 為LESENSE）以及片上比較器，能夠從外設(shè)傳感器收集數(shù)據(jù)并且僅僅在有正確或者有用數(shù)據(jù)后才喚醒CPU，實(shí)現(xiàn)所有功
能所需的超低功耗預(yù)算僅僅1.5μA。
雖 然 有 其 他 的 M CU 節(jié) 能 措 施 可 考 慮 用 于 超 省 電 型 應(yīng) 用，但是我們?nèi)匀挥懈鄳?yīng)用可覆蓋我們的簡單無線傳感器 節(jié)點(diǎn)應(yīng)用示例。現(xiàn)在讓我們轉(zhuǎn)到無線連接組成部分，我們能 夠考慮幾種顯著不同的選項(xiàng)。無線拓?fù)洌ㄈ鐖D3所示）和協(xié) 議選擇（如圖4所示）都將影響需要維持無線鏈路的功耗預(yù) 算。在某些情形下，采用私有sub-GHz協(xié)議的簡單點(diǎn)對點(diǎn)連 接可能看起來是合適的選擇，因?yàn)樗赡軆H需要消耗最少的 電池電量。然而，這個簡單的無線配置限制了傳感器發(fā)揮作 用的部署位置和范圍。
構(gòu)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，這意味著能夠在同一網(wǎng)絡(luò)中部署更多的

圖3  網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫纠?br />傳感器，但是這也可能增加用于傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議的復(fù)雜性，
因此增加RF傳輸量，并且導(dǎo)致消耗更多電池電量。
第三個值得考慮的選項(xiàng)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(jié)點(diǎn)電池電 量，但是它也提供了包括節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸在內(nèi)的節(jié)點(diǎn) 部署的最大靈活性。依賴于無線協(xié)議棧（例如ZigBee），網(wǎng) 狀網(wǎng)絡(luò)也能夠提供具有自修復(fù)能力網(wǎng)絡(luò)的最可靠部署選項(xiàng)
（即，如果網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點(diǎn)發(fā)生了故障，被發(fā)送的消息仍 然能夠發(fā)現(xiàn)另一條路徑而達(dá)到目的地）。
與網(wǎng)絡(luò)配置選擇密切相關(guān)的是必須傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，或 者從節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)或者從節(jié)點(diǎn)到收集器。在傳感器節(jié)點(diǎn)，在無 線鏈路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量應(yīng)當(dāng)相對?。ㄓ绕涫侨绻恍?shù)據(jù)能 夠在節(jié)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(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)的、功耗敏感 型點(diǎn)對點(diǎn)配置的最佳選擇；專利的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(shù)據(jù)負(fù)載提供了最大 的靈活性。表1匯總IoT應(yīng)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(jié)點(diǎn)數(shù)量網(wǎng)絡(luò)連接， 具有最大數(shù)十公里傳輸距離并且仍然支持低功耗系統(tǒng)。使用 這些長距離無線技術(shù)，能夠在極廣的區(qū)域部署節(jié)能型傳感器 節(jié)點(diǎn)。
對于無線連接來說，另一個考慮因素是用來保護(hù)傳輸 數(shù)據(jù)的加密設(shè)計(jì)。如何處理加密對超省電型設(shè)備產(chǎn)生很大影 響。例如，ZigBee加密內(nèi)建在協(xié)議棧中，但是如果用于運(yùn)行 協(xié)議棧的MCU（或者處理器內(nèi)核）沒有適當(dāng)?shù)募用苡布?那么它將不得不采用軟件方法花費(fèi)更多周期來運(yùn)行算法。例 如，在一個具有AES硬件加速器的ARMCortex-M0+處理器上

圖4  具有內(nèi)建信號調(diào)節(jié)功能的環(huán)境光傳感器
運(yùn)行128位的AES加密邏輯花費(fèi)54個周期，而在沒有硬件加 速器的ARM Cortex-M0+處理器上運(yùn)行同樣的加密邏輯將花 費(fèi)4000個周期，大約是具有硬件加密支持MCU的80倍。當(dāng) 傳感器節(jié)點(diǎn)在無線鏈路上接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)時，這將對整體 功耗產(chǎn)生顯著的影響。在IoT市場中，無線鏈路上的安全傳 輸需求正在增加。隨著更加復(fù)雜的加密需求出現(xiàn)在無線網(wǎng)絡(luò) 中，這種超省電型設(shè)備上電源管理的安全驅(qū)動的組成部分正 在變得越來越重要，并且對于開發(fā)人員進(jìn)行硬件選擇帶來顯 著的影響。
就可使用在我們節(jié)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(yùn)動傳感器。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(qiáng)度測量。有幾個選項(xiàng)用于測量環(huán)境光，以分 立感測組件開始，它們可以被設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)非常低的功耗，但是 這種方法把信號的調(diào)節(jié)和處理負(fù)擔(dān)放到了MCU上。其結(jié)果
表1  RF協(xié)議之間的主要不同點(diǎn)
是MCU將需要在更長的時間周期內(nèi)處于活動模式；更多外 設(shè)將保持活動狀態(tài)，例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）等，從而整 體系統(tǒng)功耗將會上升?？蛇x的另一種選項(xiàng)是使用內(nèi)建智能的 環(huán)境光傳感器，如圖4所示。
把信號調(diào)節(jié)內(nèi)建到傳感器中提供了一些顯著優(yōu)勢。被 發(fā)送到MCU的數(shù)據(jù)將是可被應(yīng)用快速且容易解釋的相關(guān)數(shù) 據(jù)，這意味著MCU能夠盡可能長的保持休眠狀態(tài)。有預(yù)調(diào) 節(jié)過的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)字接口，例如SPI或者I2C，也意味著 MCU能夠比使用自身ADC更有效的收集數(shù)據(jù)。雖然這個示 例中指定了環(huán)境光感測，但是許多其他傳感器有類似的實(shí)現(xiàn) 方式，包括內(nèi)建的智能且能提供數(shù)據(jù)給主機(jī)MCU，這些能 夠即時的實(shí)現(xiàn)降低整體系統(tǒng)功耗的目標(biāo)。
超低功耗型設(shè)備應(yīng)用中最后的設(shè)計(jì)考慮是簡化系統(tǒng)本 身供電。依賴于應(yīng)用中使用的電池類型，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(zhuǎn)換器或者升壓開 關(guān)調(diào)節(jié)器。例如，如果你正在使用1.5V單節(jié)紐扣電池，但是 需要為MCU產(chǎn)生3.3V供電，那么當(dāng)考慮整體設(shè)備電源管理 時，你需要考慮支持這個功能。因此在這里的慎重選擇可能
再次對系統(tǒng)的整體功耗產(chǎn)生重要影響。大多數(shù)可用的升壓轉(zhuǎn)換器消耗大約5-7μA電流， 但是如
果設(shè)備大多數(shù)時間處于休眠模式，那 么這將是一項(xiàng)沉重的負(fù)擔(dān)?，F(xiàn)在已經(jīng) 有具有1μA功耗甚至低至150nA的升壓 轉(zhuǎn)換器（同時維持高升壓效率）供選
擇。對 于 更 復(fù) 雜 的 系 統(tǒng) ， 考 慮 采 用 電源管理集成電路（PMIC）更精確 的控制整個系統(tǒng)是值得的。從單一電 源，你能夠產(chǎn)生多個電壓以驅(qū)動嵌入 式系統(tǒng)中的不同組成部分，調(diào)諧每一電壓能夠提供恰好的應(yīng) 用所需，而沒有任何能源浪費(fèi)。例如，你能夠單獨(dú)的為系統(tǒng) 中的無線部分提供電源，這意味著無線部分能夠在不使用時 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(nèi)核分別供電的MCU，你能夠通過使用PMIC再次 獲得最佳MCU能耗，并且也能夠?yàn)閼?yīng)用中使用的傳感器提
供單獨(dú)的電源。
高品質(zhì)的PMIC也將為一般系統(tǒng)控制提供額外的功能， 例如看門狗定時器和復(fù)位能力。PMIC不適合所有的應(yīng)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(yīng)用 中，PMIC方式代表了超省電型應(yīng)用中整體系統(tǒng)能耗管理的 極佳途徑。
總之，在開發(fā)電池供電的超省電型應(yīng)用中，有多種不 同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面涉及其中。不僅僅是半導(dǎo)體器件選擇和軟 件整體設(shè)計(jì)，包括無線協(xié)議棧、加密和數(shù)據(jù)處理，都是重要 的考慮因素。每一種設(shè)計(jì)元素都能夠顯著的影響系統(tǒng)的總體 功耗預(yù)算，幫助你構(gòu)建具有最大化電池有效使用壽命的超省 電型設(shè)備，這正是良好的IoT系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。