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「超省電」設備中的電源管理

2016年02月03日  | Matt Saunders/Silicon Labs微控制器和無線產品區域市場行銷總監

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長期以來,在所有的業界和市場中,我們一直都能看到對於能夠長期運作的高能效、電池供電型設備的需求;隨著物聯網(IoT)的興起,嵌入式設計人員正把大量精力放在關注「超省電」設備的電源管理。


當考量到需要某種形式無線連接的電池供電型設備時,無論在簡單的點對點無線網路配置,或是更複雜的星型或網狀網路中,這都尤為真切。有許多被認為非常適合超省電設備類型的應用,其中一個典型的例子是無線感測器節點,從功能上看,它是一個需要長期運行(在某些情況下長達幾年)同時採用電池供電的相對簡單設備。


要為這類應用建構成功的產品,開發人員必須考慮整個設計的諸多方面。這些設計考慮不僅包括微控制器(MCU)和它的能效等級,而且也包括系統中的其他元素,例如無線介面(不僅僅是物理實現,也包括使用的無線協定)、系統級電源管理(例如,整合到MCU中的低壓差調節器或者專用電源管理IC)、感測器、以及需要收集和處理感測器資料的類比功能。


圖1顯示了無線感測器節點的關鍵組成部分。讓我們首先從MCU開始討論,這是設計的核心。對於電池供電的無線感測器節點來說,MCU必須具備超高的能效。RF協定和資料處理的需求(可能用於訊號調節和數位訊號處理)將可能決定32位元或者8位元MCU的選擇,儘管如此,無論MCU如何選擇,許多低能耗需求依然是必要的。


圖1 典型的無線感測器節點架構
圖1 典型的無線感測器節點架構

例如把MCU從超低功耗模式喚醒到全速運行模式的時間長度(例如2微秒),將對節省電池電量產生顯著差異;在這種情形下,MCU喚醒時間越短越好。在MCU進行功耗模式轉換期間,它不能做任何有意義的事情。


其他兩個也對系統級能耗具備顯著影響的參數是:低功耗模式下的能耗(應當小於1微安培)和工作模式期間的能耗(這取決於使用的MCU核心以及MCU自身的製程技術,通常應當在150微安培/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、低功耗模式時的能耗和工作模式時的能耗)是最基本的架構考量因素,將大幅影響應用中MCU的選擇。


系統設計人員也應仔細考慮所選擇的MCU有多少能力是不仰賴CPU核心本身的。例如,透過感測器介面的自主處理能力能夠顯著節省能耗。自主型感測器介面透過MCU為感測器提供觸發訊號(或者電源),能夠讀回和解釋結果,直到獲得「有用」資料以後才喚醒MCU,這對於延長系統電池壽命大有助益。


例如圖2所示,Silicon Labs的EFM32 MCU架構結合了自主型低能耗感測器介面(又稱為LESENSE)和電路板上的比較器,能夠從周邊感測器收集資料並且僅僅在有正確或者有用資料後才喚醒CPU,實現所有功能所需的超低功耗預算僅僅1.5微安培。


圖2 32位元的EFM32 MCU中的低能耗感測器介面(LESENSE)技術
圖2 32位元的EFM32 MCU中的低能耗感測器介面(LESENSE)技術

雖然還有其他的MCU節能措施需要在超省電型應用中加以考量,以我們的簡單無線感測器應用範例來說,仍有很多除了MCU以外需要考量的地方。現在讓我們轉到無線連接組成部分,我們能夠考慮幾種顯著不同的選項;無線拓撲(如圖3所示)和協定選擇(如圖4所示)都將影響需要維持無線鏈路的功耗預算。


圖3 網路拓撲範例
圖3 網路拓撲範例

在某些情形下,採用私有sub-GHz協定的簡單點對點連接可能看起來是合適的選擇,因為它可能僅需要消耗最少的電池電量。然而,這種簡單的無線配置限制了感測器發揮作用的部署位置和範圍。


建構在2.4GHz或者sub-GHz技術上的星狀配置增加了感測器部署的靈活性,這意味著能夠在同一網路中部署更多的感測器,但是這也可能增加用於傳輸資料的協定之複雜性,因而增加RF傳輸量,並且導致消耗更多電池電量。


第三個值得考慮的選項是基於協定堆疊(例如ZigBee)的網狀網路配置。雖然網狀網路消耗最大的感測器節點電池電量,但是它也提供了任意節點間皆可相互傳輸的最大部署靈活性。藉由無線協定堆疊(例如ZigBee),網狀網路也能夠提供具備自修復能力網路的最可靠部署選項(也就是說如果網路中的一個節點發生了故障,被發送的訊息仍然能夠找到另一條路徑而到達目的地)。


(未完,請參閱下頁更多內文及附圖)

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