伴随您的一生：长期工作的超低功耗系统之设计

通过降低占空度及减小处理器、软件与模拟接口的功率需求，系统就可达到1mA量级的平均电流消耗。
　　要点
　　超低功耗设备必须能在无需更换电池或给电池充电的条件下工作；
　　低占空度是关键，系统应将其99%以上的时间花在“休眠”模式上；
　　系统并非总是局限于一个“低功耗”处理器上；
　　有几种设计方法可减少传感器接口功耗。
　　便携式消费电子设备的需求最近一直在推动电子系统低功耗设计技术的发展。这些设备一般采用轻便电池作为电源，且为了能装入口袋或公文包中，对设备的尺寸也提出了相应的限制。尽管这些功率限制要比采用墙式插座电源的系统更为严格，但功率仍比较富裕。毕竟，用户可以每天晚上对其iPod MP3播放机或手机进行充电。
　　那要怎样用户才能永远不需要对其系统的电池进行充电（或更换）呢？这正是那些应用在偏僻场合的系统的设计者所面临的一个问题（在那里不可能对电池进行充电）。无线传感器网络（常常称为智能传感器或“灰尘”网络）就是这样一种应用，即每一独立节点的平均电流消耗约为1mA。
　　此外，其它少数几种消费应用也面临同样严格的功率限制，其中一个例子便是常见的家用自动调温器（或恒温器）。如果将恒温器设计成需用户来自己更换电池，则不仅会增加用户使用手册的复杂性，同时也会增加花在设备坚固性及接入/接出口上的费用，因此家用恒温器通常都是密封装置。德州仪器公司 (TI) MSP430产品营销经理Juan Alvarez对恒温器能量预算的直接计算解释说：“小型锂离子电池容量大约为220 mAh，如果你能达到2.5mA的平均系统电流消耗，则电池大约能用10年。”而10年后，用户就该更换恒温器而不是更换电池了。
　　能以1mA量级平均电流消耗工作的系统的主要特点是占空度低。这种系统有99%以上的时间处于休眠模式中，而只偶尔苏醒过来轮询传感器、处理和发送传感器数据，然后再重新进入休眠模式。在设计这种低占空度及超低功耗系统时，设计者在以下两个具有截然不同特点的方面可节省能量，即数字通信和处理，以及传感放大器和接口电路。
　　在无线传感器网络中，通信占去了大部分功率预算。开发商为功率相对有限的系统设计了最流行的无线协议。例如，像802.11无线协议，以其待机侦听模式，就不适合低占空度网络。无线传感器网络设计商Millennial Net公司首席技术官  Sokwoo Rhee认为，该公司虽考虑了Zigbee等其它无线网络协议，但发现这些协议需要的功率太多，因此Millennial Net公司转而开发自己的专用无线传感器网络通信协议。Rhee说，“我们必须减少来回发送的控制数据包的数量，以跟上网络拓扑的发展。无线传感器网络需要减少开销并能真正有效地发现和再发现网络。其实这就是在节省功率，因为你无需为所有这些（低效网络）开销来使用微控制器。”
　　因此值得我们去创建一种新协议，因为所产生的连锁反应不仅限于可节省微控制器的时间与值机功率。据Rhee称，该公司试图使所需的代码覆盖范围最小。而像Zigbee协议的代码覆盖范围则是Millennial Net公司专用协议的两倍以上。该定制协议适合于小型存储器空间，因此它能使用更小的微处理器，从而消耗更少的功率，并使公司能实现其节省功率的目标。Millennial Net公司选择了Microchip公司的PIC16/8LF控制器芯片以实现其高的功率效率。未来低占空度及超低功耗设计中的处理器可能会利用低阀值设计技术的优势（参见附文：“亚阀值设计保持了低功耗承诺”）。

　　触发？
　　令人吃惊的是，有时人们不必要为低功耗设计选择一种经过功率优化的系统处理器。另一家无线传感器网络制造商AvalonRF公司首席技术官Eli Weinstein也指出，低占空度是满足超低功耗要求的关键。但AvalonRF公司的系统处理器必须拥有足够强大的功能来捕获、处理并发送节点所拍摄的快照。该装置的一个应用例子是监视水库或电站等远端设施的安全。系统必须能以一块锂离子电池来保持长达10年的工作时间。如果有传感器被脱开，则系统会苏醒，然后捕获、处理并发送一张图像给决策者，由他来确定是什么触发了这一事件。
　　Weinstein说，尽管模拟器件公司(ADI)的32位Blackfin微控制器并不是一种最适合用作低功耗处理器的微控制器，但AvalonRF公司设计人员还是采用了一片以低占空度工作、平均电流消耗小于1mA的Blackfin ADF 7020型芯片。Weinstein认为“如果你打开Blackfin芯片上的时钟，你就会发现它的功耗很小。”重要的是低占空度工作能使处理器以功率节省模式关闭时钟，然后再随时响应。因此一些处理器必须经过一个长长的功率消耗重启过程。”

　　这些超低功耗及低占空度系统中的传感器至处理器电路，同样必须为低功耗器件。目标是选择一种既拥有足够的性能来满足系统信号处理要求、同时又只需要该性能水平所需的最低功耗的放大器。对功耗有较大影响的一些运放参数为噪声性能、转换速率与输出电流驱动。此外，尽管不那么重要，但偏置电流与电压源下降也会对功耗有影响。
　　不幸的是，低功耗放大器具有高于标准运算放大器的噪声指标。凌特科技（Linear Technology）公司信号处理应用经理Tim Regan解释了设计约束如何使装置噪声恶化这一问题：“当你让放大器的所有晶体管全都缺少电流时，你通常不得不使用2MΩ~3MΩ量级的极大（内部）电阻器。超低功耗系统设计者必须清楚这一点，大电阻器即意味着高热噪声。”
　　例如，标准运放在1kHz时可能拥有10nV/√Hz的噪声电压，以及毫安量级的抽运电流。请将这一数字与只抽运1mA 电源电流但却具有185 nV/√Hz噪声电平的LT1494/5/6单/双/四运放进行比较，后者显然大大高于前者。
　　为适应低功耗运放不可避免的高噪声，系统设计者常常需要增加滤波功能。在进行常规功耗设计时，设计人员通常会试图避免采用过滤技术，因为这会增加延时；但在超低功耗设计中，时间被有效地放慢了，这是放大器在如此低电流上工作，以至于没有多少电流可用来对放大器内部电容进行充电、且只有毫微安级电流在运放内部节点上流动。因此，低功耗运放拥有更低的、以mV/s而不是以V/s来表示的转换速率。“作为一名低占空度系统设计者，” Regan认为，“你必须具有的一种素质就是耐心，因为一切都很缓慢。但另一方面，这又给你足够的时间来滤波，因为你并不准备获得任何超出你系统的带宽。因此你尽管去滤除噪声吧，它能稍微缓解你高噪声设计的痛苦。”

是否需要对传感器信号进行放大取决于电压水平。ADI产品营销经理Eric Nolan指出，“一般地讲，如果你在传感器上拥有数百毫伏的电压，则你可能只需在信号进入转换器以前对其进行缓冲即可。为减少功耗，你必须使用较高阻值电阻器，以便你能消除额外的直流电流通路。” 他补充说，“如果你进行缓冲，则你可能会避免使用非反相单位增益配置，你可以直接将输出反馈与反相放大器引脚相连。在这种情况下，除你正在驱动的输出以外，你不必用放大器来驱动任何电阻性负载。”
　　如果传感器输出电压处于较低的毫伏至微伏范围内，则需要进行一些放大。凌特科技公司的Regan建议说，放大信号的最佳方法是采用多级放大并在第一级完成所有滤波（图1）。“当你增加滤波电容时，如果电压摆幅变化较大，则你必须对这些用于滤波的外部电容器进行充放电。因此，如果你将滤波放在第一级，当…只有几微伏的电压输入时，你就不会将电流浪费在对滤波电容器进行的充放电上。你可以在滤波级后面接传统的电阻增益级。”
　　在这些低占空度系统中，运放在大部分时间内都无事可做，因此值得减小其待机电流消耗。对于许多标准运放来说，你可以在其静态电流规范中找到其无负载电流，也就是器件在没有负载时所需的电流。但目标瞄准低占空度工作的运放，则可以有一个能迫使运放进入更低电流模式的关机引脚，从而节省更多的电流：典型的静态电流指标为1mA，而关机电流指标则大约为0.01mA。

　　关机选项
　　TI公司的Alvarez建议考虑带有这种特性的运放（图2）。“增加一个引脚的代价，你就能节省几乎一个量级的电流。通过关机，你实际上可迫使器件进入非活动状态，并在唤醒它时完全打开。”
　　但关机引脚也并非是万能良药。ADI的Nolan警告说，“放大器需要一定的时间才能进入合适的工作状态，而且一般地讲，正常功耗越低，它打开的时间就越长，尤其当你使用真正的低功耗放大器的时候。”此外，关机只能影响运放本身，而传感器电路则仍在消耗功率。Nolan称设计者往往更喜欢用外部开关来关断放大器与传感器电路的电源（图3及参考文献1与2）。

　　凌特科技公司的Regan同意这一关于运放关机“磨蹭”时间的警告，并指出，大部分运放的开/关机时间都不能保证，因为厂商只给出了典型开/关机时间。他认为，“较长的运放开/关机时间会影响低占空度系统的开通时间，从而降低了电池的总使用寿命。可能不再是10年，而只有5年。” Regan建议必须确保你的设计能忍受这种开/关机时间。

　　第三种影响将运放用于低功耗、低占空度系统的因素是驱动电流。与低功耗运放的500mA至1 mA相比，标准运放可能拥有20 mA的短路电流。当系统要求小于3V的电源电压时，驱动电流甚至会更低。电源为5V的标准运放一般能提供10 mA的电流，但在以单电池（例如1.8V）工作的超低功耗系统中，仅能提供1 mA的电流。Regan表示，“器件没有足够的电压余量来充分偏置电流源，并为输出晶体管提供基极电流。因此这些低功耗器件不能提供及吸收多少电流。”

　　随着时间的推移，电池输出电压还会影响驱动电流。像一次性锂电池等小型纽扣电池，开始时电压大约为3V，但即使当电压降至1.5V，仍必须继续提供电流。因此系统设计者必须选择那些不仅能容忍低电源电压、而且能容忍电压随电池使用而由高变低的器件。在超低功耗系统中，低电流可消除对电源调整器件（例如稳压器等）的需求，因此系统能直接由电池供电。
　　Regan推荐一个用于通用低电压模拟设计技术的资源，即凌特科技公司工程师（同时也是EDN的特约作者）Jim Williams的应用笔记：“调整信号的微功耗电路”，可在线获得（见参考文献3）。尽管这是Williams于1987年撰写的一篇文章，但其基本原理今天仍适用。（亦请参见附文“‘跳蚤’功耗设计概念降低电路功率的需求。” ）