最大程度地延長無線家庭自動化系統(tǒng)中的電池壽命

樓宇和家庭自動化系統(tǒng)正在迅猛發(fā)展?！?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/智能樓宇">智能樓宇”技術是多種因素共同推動的結果。全球能源中有近40%消耗在樓宇的供暖、制冷和照明上。提高這些技術的效率對保護環(huán)境、節(jié)省資金非常有利。為此，政府和地方機構都在通過立法大力推行能效更高的樓宇。與這一立法活動同步前進的還有新興技術，如LED照明、能量采集和越來越強的全球互聯(lián)性，都在推動樓宇自動化的發(fā)展。
圖1介紹了智能樓宇系統(tǒng)。智能樓宇的關鍵因素是部署更多傳感器來監(jiān)控和測量溫度、運動、占位、光線。掌握這些條件后，智能樓宇就能實現(xiàn)通信并控制燈具、HVAC(暖通空調(diào))、百葉窗和其他樓宇元件，以優(yōu)化性能。

圖1 采用無線傳感器和控制的智能樓宇

部署無線傳感器顯然很有吸引力，因為它比布線更便宜、更靈活，而且更易于實施。添加大量無線傳感器后，樓宇內(nèi)便需要大量電池或能量采集器件。本文欲研究將無線傳感器功耗降至最低，從而延長電池壽命的方法。同時考慮那些容易被忽略但對電池壽命和系統(tǒng)性能具有重大影響的參數(shù)。文中還將探討功率轉(zhuǎn)換、RF性能、通信協(xié)議等主題。
功耗(IDD)
傳統(tǒng)上，開發(fā)新設計時，工作功耗(IDD)是系統(tǒng)設計人員首先要考慮的事情。然而，除非元件持續(xù)工作，否則該數(shù)值對系統(tǒng)的功率預算或平均功耗沒有太大影響。
在系統(tǒng)長時間處于休眠模式的應用中，應該更多注重使用模式、功率預算和平均功耗。也就是考慮不同休眠模式的功耗、系統(tǒng)在每種狀態(tài)下可能耗費的時間。甚至進入和退出不同工作模式的轉(zhuǎn)換時間也可能顯著影響平均功耗。雖然正常工作模式下的工作電流IDD是一項重要因素，但卻不是選擇最合適器件的唯一準則。
功率預算可能是系統(tǒng)設計人員需要考慮的最重要因素。它包括計算系統(tǒng)在全工作模式、計算模式、通信模式、待機模式等模式下需要停留的時間。此過程通常從一些基本技術規(guī)格開始，例如需要執(zhí)行計算和通信的頻率以及電池要容納的能量。
一般而言，系統(tǒng)大部分時間處于待機模式，僅在外部事件觸發(fā)時或周期性地喚醒，然后實施測量并將數(shù)據(jù)發(fā)送至主機系統(tǒng)。為此，休眠模式電流規(guī)格或靜態(tài)電流規(guī)格(IQ)非常重要。表1和表2提供了可用于電池供電傳感器應用的功率預算的示例。表格按不同工作模式細分，顯示了其功耗對整體系統(tǒng)的影響。

過去，IC公司重點關注IDD，而不太注意IQ。但隨著電池供電器件的普及，半導體行業(yè)迫切需要盡可能地降低IQ值。這需要結合智能IC設計與更新、更小的IC幾何尺寸來考慮。而IQ規(guī)格的理想目標值范圍很廣，要視IC的復雜度而定。不過，數(shù)百納安(nA)級的IQ目前已很常見，某些公司甚至稱可以達到皮安(pA)級。
這一追求更低功耗的趨勢在微控制器開發(fā)領域十分明顯。與較早的ARM7產(chǎn)品相比，Cortex M3和M4等最新微控制器內(nèi)核更適合電池供電應用。不但可實現(xiàn)低IDD和低IQ規(guī)格，而且具有高水平的計算能力。多家新老微控制器廠商正在大筆投資這一領域，尤其是低功耗方面。
功率轉(zhuǎn)換

功率轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)是另一個棘手問題。最大化效率的目的是盡量限制功率轉(zhuǎn)換級的數(shù)量。為此要放置一系列線性調(diào)節(jié)器(LDO)以產(chǎn)生電池所需的電壓軌，然而這不是最佳方法。對于任何線性調(diào)節(jié)器(此處考慮的是LDO)，輸入與輸出電壓間的差異越大，浪費的能量越多。LDO的效率n大致可由公式n=(Vo/Vin)×100%給出。因此當Vin接近Vout時，LDO工作效率最高。
LDO無法存儲能量，未傳遞給負載的能量只能以熱量形式耗散掉。功耗PD=(Vin-Vout)×(Iin)。LDO的壓差規(guī)格用于衡量輸入至輸出間可以耐受的壓降，是影響功率轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)級效率的主要因素。即使是單個器件，封裝不同也會導致壓差規(guī)格不同。這是由于特定封裝的焊線內(nèi)存在損耗。芯片級封裝在此方面具有出色的性能。
在設計功率級時，許多設計人員可能直覺地認為開關調(diào)節(jié)器噪聲高、體積大而且太復雜，因而不會考慮舍棄LDO轉(zhuǎn)而使用開關調(diào)節(jié)器。但開關調(diào)節(jié)器與LDO相比具有高得多的功率轉(zhuǎn)換效率，特別是在輸入與輸出電壓差異較大時。開關調(diào)節(jié)器并不一定具有高噪聲。通過以下鏈接了解本話題的一些詳細信息：www.analog.com/static/imported-files/tech_articles/Powering_High_Speed_ADCs.pdf。
當負載無法進入低功耗/休眠模式，或者負載器件的休眠模式消耗太多靜態(tài)電流時，在電池和負載間使用功率開關是一個不錯的方案(例如ADI公司的ADP190)。這些開關可以有效切斷從電池到負載的所有功率，僅在需要時為負載供電。
當然，如果負載需要保留一些邏輯或存儲器信息，則不能選擇此方案，因為在此配置下器件完全關斷。另外，這些功率開關在工作時本身會消耗一定量的電流，但只有100 nA左右，僅為負載器件的靜態(tài)電流的百分之一到十分之一。當然，由于直接位于輸入與輸出之間的功率路徑內(nèi)，功率損耗也不可避免。在手機和其他電池供電應用中，這些器件正變得越來越流行。圖2所示為典型負載開關。

通信協(xié)議
管理通信協(xié)議的軟件堆?？赡苡绊戨姵貕勖?。雖然ZigBee正在成為許多應用領域中的常用標準，但實施這種堆棧需要大量代碼。代碼尺寸變大導致處理器、收發(fā)器或兩者不得不承擔更多代碼開銷。顯然這會縮短電池壽命。
PopNet和SNAP等替代方案具有較少代碼。許多最終用戶稱這是實施ZigBee的主要障礙。Wi-Fi是另一個有吸引力的選擇，因為它是現(xiàn)有基礎設施中任何具備現(xiàn)有無線網(wǎng)絡的樓宇都能提供的。不過，Wi-Fi的協(xié)議堆棧比ZigBee更大。這會帶來更多計算和通信開銷，從而增加功耗（估計Wi-Fi功耗是ZigBee的兩倍）。
通信協(xié)議的系統(tǒng)分割也需要考慮。在典型系統(tǒng)中，微控制器（或類似器件）管理軟件堆棧，無線電單元執(zhí)行物理通信。如果設計人員僅增加這些元件的工作功耗，則可能失之偏頗。一些發(fā)射機(例如ADI公司的ADF7023)無需喚醒微控制器便可實施部分軟件堆棧管理協(xié)議。這意味著微控制器可在休眠模式下保持更長時間，從而降低系統(tǒng)的整體平均功耗。另外，目前一些無線電IC已經(jīng)嵌入了喚醒定時器，能夠自行喚醒，而不依賴微控制器激活。微控制器則可保持休眠模式，直至無線電單元決定需要執(zhí)行某些通信或計算。
選擇無線電發(fā)射機時，需要考慮許多參數(shù)。如果用戶不受特定協(xié)議限制，例如ZigBee（工作于2.4 GHz ISM頻段），則RF頻段的選擇具有重大影響。在相同傳輸輸出功率下，低頻比高頻發(fā)射得更遠。也就是說，在相同距離上，低頻可在比高頻更低的輸出功率下發(fā)射。具體視環(huán)境和其他因素而定，但根據(jù)經(jīng)驗，433 MHz ISM頻段的工作范圍是900 MHz ISM頻段的兩倍。
RF接收機的靈敏度會影響發(fā)射機需要的輸出功率。因此，必須盡可能使用低靈敏度的接收機。這樣，發(fā)射機便可在盡可能低的功率水平下發(fā)射。
表面上看這只是簡單的計算。接收機上的接收信號強度指示器(RSSI)功能可用于測量從發(fā)射機接收的信號的強度。還可開發(fā)專用算法，向發(fā)射機反饋信息，指示輸出功率可以降低多少，以便在維持無誤差通信的前提下最大程度地降低輸出功率，優(yōu)化電池壽命。
遺憾的是，以上考慮尚不全面。ISM頻段的噪聲一向較高，相鄰通道間的干擾會影響接收機的可用靈敏度。因此要計算可用靈敏度，還應考慮相鄰通道的阻塞性能。
為了強調(diào)這一點，試舉一例，如圖3所示?，F(xiàn)在考慮使用兩種不同的接收機接收強度為-80 dBm的信號。接收機A靈敏度為-101 dBm，相鄰通道阻塞為34 dBm。接收機B靈敏度為-95 dBm，相鄰通道阻塞為48 dBm。表面上看，接收機A是正確選擇，它可以接收低至-101 dBm的信號，低于接收機B的-95 dBm。