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伴隨您的一生:長期工作的超低功耗系統(tǒng)之設(shè)計(jì)

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作者:Margery Conner 時(shí)間:2005-08-31 來源:EDN電子設(shè)計(jì)技術(shù) 收藏

伴隨您的一生:長期工作的超低功耗系統(tǒng)之設(shè)計(jì)

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/8021.htm

通過降低占空度及減小處理器、軟件與模擬接口的功率需求,系統(tǒng)就可達(dá)到1mA量級的平均電流消耗。
  要點(diǎn)
  超低功耗設(shè)備必須能在無需更換電池或給電池充電的條件下工作;
  低占空度是關(guān)鍵,系統(tǒng)應(yīng)將其99%以上的時(shí)間花在“休眠”模式上;
  系統(tǒng)并非總是局限于一個(gè)“低功耗”處理器上;
  有幾種設(shè)計(jì)方法可減少傳感器接口功耗。

  設(shè)備的需求最近一直在推動(dòng)電子系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。這些設(shè)備一般采用輕便電池作為電源,且為了能裝入口袋或公文包中,對設(shè)備的尺寸也提出了相應(yīng)的限制。盡管這些功率限制要比采用墻式插座電源的系統(tǒng)更為嚴(yán)格,但功率仍比較富裕。畢竟,用戶可以每天晚上對其iPod MP3播放機(jī)或手機(jī)進(jìn)行充電。
  那要怎樣用戶才能永遠(yuǎn)不需要對其系統(tǒng)的電池進(jìn)行充電(或更換)呢?這正是那些應(yīng)用在偏僻場合的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者所面臨的一個(gè)問題(在那里不可能對電池進(jìn)行充電)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(常常稱為智能傳感器或“灰塵”網(wǎng)絡(luò))就是這樣一種應(yīng)用,即每一獨(dú)立節(jié)點(diǎn)的平均電流消耗約為1mA。
  此外,其它少數(shù)幾種消費(fèi)應(yīng)用也面臨同樣嚴(yán)格的功率限制,其中一個(gè)例子便是常見的家用自動(dòng)調(diào)溫器(或恒溫器)。如果將恒溫器設(shè)計(jì)成需用戶來自己更換電池,則不僅會(huì)增加用戶使用手冊的復(fù)雜性,同時(shí)也會(huì)增加花在設(shè)備堅(jiān)固性及接入/接出口上的費(fèi)用,因此家用恒溫器通常都是密封裝置。德州儀器公司 (TI) MSP430產(chǎn)品營銷經(jīng)理Juan Alvarez對恒溫器能量預(yù)算的直接計(jì)算解釋說:“小型鋰離子電池容量大約為220 mAh,如果你能達(dá)到2.5mA的平均系統(tǒng)電流消耗,則電池大約能用10年?!倍?0年后,用戶就該更換恒溫器而不是更換電池了。
  能以1mA量級平均電流消耗工作的系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是占空度低。這種系統(tǒng)有99%以上的時(shí)間處于休眠模式中,而只偶爾蘇醒過來輪詢傳感器、處理和發(fā)送傳感器數(shù)據(jù),然后再重新進(jìn)入休眠模式。在設(shè)計(jì)這種低占空度及超低功耗系統(tǒng)時(shí),設(shè)計(jì)者在以下兩個(gè)具有截然不同特點(diǎn)的方面可節(jié)省能量,即數(shù)字通信和處理,以及傳感放大器和接口電路。
  在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,通信占去了大部分功率預(yù)算。開發(fā)商為功率相對有限的系統(tǒng)設(shè)計(jì)了最流行的無線協(xié)議。例如,像802.11無線協(xié)議,以其待機(jī)偵聽模式,就不適合低占空度網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)商Millennial Net公司首席技術(shù)官  Sokwoo Rhee認(rèn)為,該公司雖考慮了Zigbee等其它無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,但發(fā)現(xiàn)這些協(xié)議需要的功率太多,因此Millennial Net公司轉(zhuǎn)而開發(fā)自己的專用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。Rhee說,“我們必須減少來回發(fā)送的控制數(shù)據(jù)包的數(shù)量,以跟上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞陌l(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要減少開銷并能真正有效地發(fā)現(xiàn)和再發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。其實(shí)這就是在節(jié)省功率,因?yàn)槟銦o需為所有這些(低效網(wǎng)絡(luò))開銷來使用微控制器。”
  因此值得我們?nèi)?chuàng)建一種新協(xié)議,因?yàn)樗a(chǎn)生的連鎖反應(yīng)不僅限于可節(jié)省微控制器的時(shí)間與值機(jī)功率。據(jù)Rhee稱,該公司試圖使所需的代碼覆蓋范圍最小。而像Zigbee協(xié)議的代碼覆蓋范圍則是Millennial Net公司專用協(xié)議的兩倍以上。該定制協(xié)議適合于小型存儲(chǔ)器空間,因此它能使用更小的微處理器,從而消耗更少的功率,并使公司能實(shí)現(xiàn)其節(jié)省功率的目標(biāo)。Millennial Net公司選擇了Microchip公司的PIC16/8LF控制器芯片以實(shí)現(xiàn)其高的功率效率。未來低占空度及超低功耗設(shè)計(jì)中的處理器可能會(huì)利用低閥值設(shè)計(jì)技術(shù)的優(yōu)勢(參見附文:“亞閥值設(shè)計(jì)保持了低功耗承諾”)。

  觸發(fā)?
  令人吃驚的是,有時(shí)人們不必要為低功耗設(shè)計(jì)選擇一種經(jīng)過功率優(yōu)化的系統(tǒng)處理器。另一家無線傳感器網(wǎng)絡(luò)制造商AvalonRF公司首席技術(shù)官Eli Weinstein也指出,低占空度是滿足超低功耗要求的關(guān)鍵。但AvalonRF公司的系統(tǒng)處理器必須擁有足夠強(qiáng)大的功能來捕獲、處理并發(fā)送節(jié)點(diǎn)所拍攝的快照。該裝置的一個(gè)應(yīng)用例子是監(jiān)視水庫或電站等遠(yuǎn)端設(shè)施的安全。系統(tǒng)必須能以一塊鋰離子電池來保持長達(dá)10年的工作時(shí)間。如果有傳感器被脫開,則系統(tǒng)會(huì)蘇醒,然后捕獲、處理并發(fā)送一張圖像給決策者,由他來確定是什么觸發(fā)了這一事件。
  Weinstein說,盡管模擬器件公司(ADI)的32位Blackfin微控制器并不是一種最適合用作低功耗處理器的微控制器,但AvalonRF公司設(shè)計(jì)人員還是采用了一片以低占空度工作、平均電流消耗小于1mA的Blackfin ADF 7020型芯片。Weinstein認(rèn)為“如果你打開Blackfin芯片上的時(shí)鐘,你就會(huì)發(fā)現(xiàn)它的功耗很小?!敝匾氖堑驼伎斩裙ぷ髂苁固幚砥饕怨β使?jié)省模式關(guān)閉時(shí)鐘,然后再隨時(shí)響應(yīng)。因此一些處理器必須經(jīng)過一個(gè)長長的功率消耗重啟過程?!?br/>



  這些超低功耗及低占空度系統(tǒng)中的傳感器至處理器電路,同樣必須為低功耗器件。目標(biāo)是選擇一種既擁有足夠的性能來滿足系統(tǒng)信號(hào)處理要求、同時(shí)又只需要該性能水平所需的最低功耗的放大器。對功耗有較大影響的一些運(yùn)放參數(shù)為噪聲性能、轉(zhuǎn)換速率與輸出電流驅(qū)動(dòng)。此外,盡管不那么重要,但偏置電流與電壓源下降也會(huì)對功耗有影響。
  不幸的是,低功耗放大器具有高于標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器的噪聲指標(biāo)。凌特科技(Linear Technology)公司信號(hào)處理應(yīng)用經(jīng)理Tim Regan解釋了設(shè)計(jì)約束如何使裝置噪聲惡化這一問題:“當(dāng)你讓放大器的所有晶體管全都缺少電流時(shí),你通常不得不使用2MΩ~3MΩ量級的極大(內(nèi)部)電阻器。超低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須清楚這一點(diǎn),大電阻器即意味著高熱噪聲?!?br/>  例如,標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放在1kHz時(shí)可能擁有10nV/√Hz的噪聲電壓,以及毫安量級的抽運(yùn)電流。請將這一數(shù)字與只抽運(yùn)1mA 電源電流但卻具有185 nV/√Hz噪聲電平的LT1494/5/6單/雙/四運(yùn)放進(jìn)行比較,后者顯然大大高于前者。
  為適應(yīng)低功耗運(yùn)放不可避免的高噪聲,系統(tǒng)設(shè)計(jì)者常常需要增加濾波功能。在進(jìn)行常規(guī)功耗設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)人員通常會(huì)試圖避免采用過濾技術(shù),因?yàn)檫@會(huì)增加延時(shí);但在超低功耗設(shè)計(jì)中,時(shí)間被有效地放慢了,這是放大器在如此低電流上工作,以至于沒有多少電流可用來對放大器內(nèi)部電容進(jìn)行充電、且只有毫微安級電流在運(yùn)放內(nèi)部節(jié)點(diǎn)上流動(dòng)。因此,低功耗運(yùn)放擁有更低的、以mV/s而不是以V/s來表示的轉(zhuǎn)換速率?!白鳛橐幻驼伎斩认到y(tǒng)設(shè)計(jì)者,” Regan認(rèn)為,“你必須具有的一種素質(zhì)就是耐心,因?yàn)橐磺卸己芫徛?。但另一方面,這又給你足夠的時(shí)間來濾波,因?yàn)槟悴⒉粶?zhǔn)備獲得任何超出你系統(tǒng)的帶寬。因此你盡管去濾除噪聲吧,它能稍微緩解你高噪聲設(shè)計(jì)的痛苦?!?/p>



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