“超省电”设备中的电源管理

     长期以来，在所有行业和市场中，我们一直都能够看到对于能够长期运行的高能效、电池供电型设备的需求。随 着物联网（IoT）的兴起，嵌入式设计人员正在以很大的精 力关注“超省电”设备的电源管理。当考虑到需要某种形式 无线连接的电池供电型设备时，无论在简单的点对点无线网 络配置还是更复杂的星型或网状网络中，这都尤为真实。有 许多被认为非常适合采用超省电设备类型的应用，其中一个 典型的例子是无线传感器节点，从功能上看，它是一个需要 长期运行（在某些情况下长达几年）同时采用电池供电的相 对简单的设备。
要 为 这 类 应 用 构 建 成 功 的 产 品 ， 开 发 人 员 必 须 考 虑 整 个 设 计 的 诸 多 方 面 。 这 些 设 计 考 虑 不 仅 包 括 微 控 制 器
（ M CU ） 和 它 的 能 效 等 级 ， 而 且 也 包 括 系 统 中 的 其 他 元 素，例如无线接口（不仅仅是物理实现，也包括使用的无线 协议）、系统级电源管理（例如，集成到MCU中的低压差 调节器或者专用电源管理IC）、传感器、以及需要收集和处 理传感器数据的模拟功能。
图1显示了无线传感器节点的关键组成部分。让我们首 先从MCU开始讨论，这是设计的核心。
对于电池供电的无线传感器节点来说，MCU必须具有 超高的能效。RF协议和数据处理的需求（可能用于信号调 节和数字信号处理）将可能决定32位或者8位MCU的选择，

图1  典型的无线传感器节点架构    

图2 32位的EFM32 MCU中的低能耗传感器接口（LESENSE）技术
尽管如此，无论MCU如何选择，许多低能耗需求依然是必要的。例如，把MCU从超低功耗模式唤醒到全速运行模式 的时间长度（例如2μs）将对电池电量节省产生显著的差 异。在这种情形下，MCU唤醒时间越短越好。在MCU进行 功耗模式转换期间，它不能做任何有意义的事情。
其 他 两 个 也 对 系 统 级 能 耗 具 有 显 著 影 响 的 参 数 是 ：
低功耗模式下的能耗（应当<1μA）和活动模式期间的能耗
（ 这依赖于使用的MCU内核以及MCU自身的处理技术节 点，通常应当在150μA/MHz或以下）。也有其他因素影响 能效，但是这三种因素（计算需求、低功耗模式时的能耗和 活动模式时的能耗）是最基本的架构考虑因素，将极大影响 应用中MCU的选择。
系统设计人员也应仔细考虑所选择的MCU有多少能力 不依赖于CPU内核本身。例如，通过传感器接口的自治处 理能力能够显著的节省能耗。自治型传感器接口通过MCU 为传感器提供激励信号（或者电源），能够读回和解释结 果，直到获得“有用”数据以后才唤醒MCU，这对于最大 化系统电池寿命大有帮助。例如，如图2所示，Silicon Labs 的EFM32 MCU架构结合了自治型低能耗传感器接口（又称 为LESENSE）以及片上比较器，能够从外设传感器收集数据并且仅仅在有正确或者有用数据后才唤醒CPU，实现所有功
能所需的超低功耗预算仅仅1.5μA。
虽 然 有 其 他 的 M CU 节 能 措 施 可 考 虑 用 于 超 省 电 型 应 用，但是我们仍然有更多应用可覆盖我们的简单无线传感器 节点应用示例。现在让我们转到无线连接组成部分，我们能 够考虑几种显著不同的选项。无线拓扑（如图3所示）和协 议选择（如图4所示）都将影响需要维持无线链路的功耗预 算。在某些情形下，采用私有sub-GHz协议的简单点对点连 接可能看起来是合适的选择，因为它可能仅需要消耗最少的 电池电量。然而，这个简单的无线配置限制了传感器发挥作 用的部署位置和范围。
构建在2.4GHz或者sub-GHz技术上的星型配置增加了传
感器部署的灵活性，这意味着能够在同一网络中部署更多的

图3  网络拓扑示例
传感器，但是这也可能增加用于传输数据的协议的复杂性，
因此增加RF传输量，并且导致消耗更多电池电量。
第三个值得考虑的选项是基于协议栈（例如ZigBee）的 网状网络配置。虽然网状网络消耗最大的传感器节点电池电 量，但是它也提供了包括节点到节点数据传输在内的节点 部署的最大灵活性。依赖于无线协议栈（例如ZigBee），网 状网络也能够提供具有自修复能力网络的最可靠部署选项
（即，如果网络中的一个节点发生了故障，被发送的消息仍 然能够发现另一条路径而达到目的地）。
与网络配置选择密切相关的是必须传输的数据量，或 者从节点到节点或者从节点到收集器。在传感器节点，在无 线链路上传输的数据量应当相对小（尤其是如果一些数据能 够在节点的MCU上处理，那么仅仅相关信息被发送，而不 是所有收集的数据被传输）。因此，ZigBee提供了最佳的网 状网络解决方案；Bluetooth Smart是基于标准的、功耗敏感 型点对点配置的最佳选择；专利的sub-GHz解决方案在星型 或者点对点配置中为网络大小、带宽和数据负载提供了最大 的灵活性。表1汇总IoT应用中领先的RF技术的多种关键特性和益处。
考虑采用长距离（long-range）技术和平台（例如LoRa 和Sigfox）也是有帮助的，它们支持高节点数量网络连接， 具有最大数十公里传输距离并且仍然支持低功耗系统。使用 这些长距离无线技术，能够在极广的区域部署节能型传感器 节点。
对于无线连接来说，另一个考虑因素是用来保护传输 数据的加密设计。如何处理加密对超省电型设备产生很大影 响。例如，ZigBee加密内建在协议栈中，但是如果用于运行 协议栈的MCU（或者处理器内核）没有适当的加密硬件， 那么它将不得不采用软件方法花费更多周期来运行算法。例 如，在一个具有AES硬件加速器的ARMCortex-M0+处理器上

图4  具有内建信号调节功能的环境光传感器
运行128位的AES加密逻辑花费54个周期，而在没有硬件加 速器的ARM Cortex-M0+处理器上运行同样的加密逻辑将花 费4000个周期，大约是具有硬件加密支持MCU的80倍。当 传感器节点在无线链路上接收或者发送数据时，这将对整体 功耗产生显著的影响。在IoT市场中，无线链路上的安全传 输需求正在增加。随着更加复杂的加密需求出现在无线网络 中，这种超省电型设备上电源管理的安全驱动的组成部分正 在变得越来越重要，并且对于开发人员进行硬件选择带来显 著的影响。
就可使用在我们节点示例中的传感器而言，许多传感 器选择都是可行的，从光、环境、到运动传感器。传感器的 选择最终是由你要测量什么而决定。在我们的例子中，我们 将选择环境光强度测量。有几个选项用于测量环境光，以分 立感测组件开始，它们可以被设计实现非常低的功耗，但是 这种方法把信号的调节和处理负担放到了MCU上。其结果
表1  RF协议之间的主要不同点
是MCU将需要在更长的时间周期内处于活动模式；更多外 设将保持活动状态，例如模数转换器（ADC）等，从而整 体系统功耗将会上升。可选的另一种选项是使用内建智能的 环境光传感器，如图4所示。
把信号调节内建到传感器中提供了一些显著优势。被 发送到MCU的数据将是可被应用快速且容易解释的相关数 据，这意味着MCU能够尽可能长的保持休眠状态。有预调 节过的数据发送到数字接口，例如SPI或者I2C，也意味着 MCU能够比使用自身ADC更有效的收集数据。虽然这个示 例中指定了环境光感测，但是许多其他传感器有类似的实现 方式，包括内建的智能且能提供数据给主机MCU，这些能 够即时的实现降低整体系统功耗的目标。
超低功耗型设备应用中最后的设计考虑是简化系统本 身供电。依赖于应用中使用的电池类型，如果需要比电池 所提供更多的电压或电流，通常需要升压转换器或者升压开 关调节器。例如，如果你正在使用1.5V单节纽扣电池，但是 需要为MCU产生3.3V供电，那么当考虑整体设备电源管理 时，你需要考虑支持这个功能。因此在这里的慎重选择可能
再次对系统的整体功耗产生重要影响。大多数可用的升压转换器消耗大约5-7μA电流， 但是如
果设备大多数时间处于休眠模式，那 么这将是一项沉重的负担。现在已经 有具有1μA功耗甚至低至150nA的升压 转换器（同时维持高升压效率）供选
择。对 于 更 复 杂 的 系 统 ， 考 虑 采 用 电源管理集成电路（PMIC）更精确 的控制整个系统是值得的。从单一电 源，你能够产生多个电压以驱动嵌入 式系统中的不同组成部分，调谐每一电压能够提供恰好的应 用所需，而没有任何能源浪费。例如，你能够单独的为系统 中的无线部分提供电源，这意味着无线部分能够在不使用时 完全的关闭（如果协议支持这种能力）。或者，如果你有支 持I/O和内核分别供电的MCU，你能够通过使用PMIC再次 获得最佳MCU能耗，并且也能够为应用中使用的传感器提
供单独的电源。
高品质的PMIC也将为一般系统控制提供额外的功能， 例如看门狗定时器和复位能力。PMIC不适合所有的应用， 部分原因是由于额外的成本，但是在可承受额外成本的应用 中，PMIC方式代表了超省电型应用中整体系统能耗管理的 极佳途径。
总之，在开发电池供电的超省电型应用中，有多种不 同的系统设计方面涉及其中。不仅仅是半导体器件选择和软 件整体设计，包括无线协议栈、加密和数据处理，都是重要 的考虑因素。每一种设计元素都能够显著的影响系统的总体 功耗预算，帮助你构建具有最大化电池有效使用寿命的超省 电型设备，这正是良好的IoT系统设计的关键所在。