采用电压控制方式提高无线传感器节点的效率

无线传感器节点为物联网(IoT)的发展提供了动力。无线传感器节点的两个最重要的方面是它们应该对其本地环境的变化做出反应并且能够高效地存储多年的单个电池充电 - 可能是传感器的整个预期寿命。为了确保传感器仅对重要变化做出反应，将会将越来越复杂的软件下载到它们中。反过来，这需要高效的处理器，例如基于32位ARM®Cortex®-M架构的处理器，或者对于更简单的传感器，需要改进版本的8位内核，例如8051.

系统级功耗由许多变量决定，这些变量超出了处理器本身的功率效率。为了提高效率，低能耗MCU采用了许多智能外设来代表核心处理器控制硬件。这些外设在不同的时间运行，并且功率需求会在毫秒到毫秒的基础上发生变化。他们需要灵活的电源架构来支持这一点。

需要控制系统各个部分甚至集成到MCU本身的外设的原因是为了支持低占空比。占空比决定了MCU处理器在其使用寿命期间唤醒和处理数据的时间以及断电和休眠的时间。低占空比很重要，因为系统内的处理器几乎所有时间都在睡觉，以节省能源。

低占空比策略已被证明在处理器的电表的设计中非常有效核心可能会睡眠整个生命周期的99%。它只唤醒传感器输入的数据，通常是在预定的时间或响应未安排的中断。智能外设通过检查输入数据而无需唤醒处理器来支持此功能。只有超过阈值时，外设才会触发中断，使处理器处理环境变化。此策略可确保仅处理重大更改。那些意味着变化很小的东西可以在内存中排队并在处理器内核因其他原因被唤醒时处理。

例如，在计量应用程序中，寄存器编码器记录天然气的流量或水作为一系列脉冲。如果没有硬件支持，MCU的处理器必须唤醒并采样I/O引脚的状态，以确定开关是打开还是关闭。如果它是物理簧片开关，则需要额外的处理来消除开关并管理上拉电阻以检查它是否是有效脉冲并最小化通过闭合开关的电流消耗。

能量优化方法是使用专用输入捕获定时器，该定时器可在器件处于睡眠模式时自动操作。开关闭合可以累积在硬件寄存器中，几乎不需要软件干预。诸如开关去抖动，上拉电阻管理和自校准等功能可以直接集成在硬件中。通过两个定时器输入，可以支持正交解码功能来确定流向。这提供了回流检测功能以及防篡改功能，这两种功能都用于触发让处理器做出反应并发送警告消息的中断。专用的低功耗输入捕捉定时器在3.6 V时仅消耗400 nA，即使采样率高达500 Hz，如果在软件中执行也超过1μA。

另一个例子是准备射频传输的消息。必须多次操作数据。需要从仪表传输到收集器的20字节消息有效负载一旦由软件准备就会暂时存储在SRAM中。为了在目的地接收之后确保其完整性，计算循环冗余校验(CRC)并将其附加在消息的末尾。然后，需要使用方案(例如曼彻斯特，3：6)对整个消息进行编码，以提高传输可靠性。该编码消息通过串行接口传递到无线电收发器。

专用数据包处理引擎(DPPE)可用于对收发器执行CRC，编码和中继，远比软件更有效，允许处理器在发生时进入休眠状态。使用DPPE不仅减少了执行功能所需的时间，而且还减少了在此期间的电流消耗，因为不会访问往往需要大量电流的闪存。相反，所有操作都在本地内存上。在活动模式下，最终结果可以降低90%的功率。

图1：数据包CRC和编码任务的软件和DPPE的执行时间和电流消耗的比较。

提供设计人员通过多种方式降低寿命能耗，为此类应用设计的MCU提供了多种休眠模式，可以逐步从各种组件内核中断电，将其状态存储在非易失性存储器或专用的低泄漏寄存器中，直到几乎所有设备都已断电。例如，深度睡眠允许除了核心外设之外的所有外设(例如实时时钟)断电，这也消除了驱动片上逻辑时钟的锁相环等电路的需要。

< p>低能耗睡眠模式极大地延长了传感器节点应用中的电池寿命，但是当MCU处于活动状态时，可以进一步降低功耗。在活动期间，任何逻辑电路的功耗由公式CV²f给出，其中C是器件内电路路径的总电容，V是电源电压，f是工作频率。

为了最大化系统设计灵活性，MCU使用的工艺技术支持高达3.6 V的电压。但是，由于在较低电压下工作的能耗优势，内部电路将使用可设置为1.8 V的电源甚至更少。由于实施起来相对简单，大多数MCU供应商使用线性稳压器，通常基于低压差(LDO)设计，将电池组的输入电压转换为所需的内部电源;但线性转换器的简单性与低效率有关。

系统内需要多个LDO为MCU外部提供不同的外设，例如RF收发器，每个都可能是由电池直接供电。这种结构的问题在于，例如，如果电池向内部工作电压为1.8 V的RF收发器提供3.6 V的电压，则转换效率仅为50%。当输入电压降至1.8 V时，可以采用1.8 V至3.6 V电压的RF收发器将提高其电压转换效率。需要考虑MCU外部每个外设的这种影响。

图2：基于LDO和DC/DC转换器的MCU设计的能效比较。

Silicon Labs采用的方法诸如C8051F960或SiM3L1xx等MCU将采用开关DC/DC转换器。切换转换的使用导致更高的效率。该技术使用脉冲宽度调制(PWM)将电荷包馈送到输出电路，该输出电路使用电感器和电容器的组合将数据包平滑成适合于负载的恒定输出电压和电流。片外DC/DC转换器可以执行此功能，但这会增加系统的组件数。在尺寸方面受到挑战时，系统可能无法承受这一点，这通常是传感器节点的情况。

除了降低MCU的有源模式电流外，集成的高效DC/DC转换器有助于减少系统其他部分的电流需求。通过将DC/DC转换器的输出电压配置为由MCU控制并从MCU的电压输出线馈送的外部外设的最低可接受设置，可以最大限度地降低总功耗。对于外部RF收发器，外部电压输出可设置为1.8 V并降低其总电流需求。

集成DC/DC转换器在电路级能量优化方面提供了更多机会设计人员可以将电压与性能进行权衡以适应目标应用。例如，EFM Pearl Gecko的能源管理单元可对片上稳压器进行可编程控制。这使得可以在电池电压下降到足以影响转换效率时关闭稳压器，并且在没有中间转换的情况下直接从电池驱动MCU电路更有意义。另一个使用的例子是在睡眠期间，其中一个更简单的低电流转换器仅驱动实时时钟，以确保它在适当的时间提供唤醒中断。

图3：EFM32 Pearl Gecko的内部电压架构显示旁路线。

某些电路绕过片上DC/DC转换器以避免执行双转换的问题。例如，闪存块通常包含电荷泵，以在写入操作期间向存储器线提供所需的较高电压。根据应用需要，模拟模块也可以由直接电池供电或DC/DC转换器驱动。例如，直接连接电池而不是开关稳压器将有助于降低模拟电路中的噪声。

因此，具有集成功率转换功能的MCU(如Silicon Labs系列中的那些)可提供此功能调整系统级能耗，提供更高效的传感器节点和更长的电池寿命。