超低功耗技術(shù)可延長物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器使用壽命

導(dǎo)讀：

物聯(lián)網(wǎng)(IoT) 中一個最大的技術(shù)挑戰(zhàn)就是傳感器節(jié)點(diǎn)會出現(xiàn)在任何地方。這些傳感器能夠在已聯(lián)網(wǎng)住宅中被用于測量溫度和濕度、在實(shí)施養(yǎng)護(hù)監(jiān)視中被用于測量高速公路橋梁的機(jī)械應(yīng)力，或是在智能流量計量過程中被用于測量燃?xì)夂妥詠硭褂昧康葏?shù)。這些數(shù)據(jù)被服務(wù)器采集處理后，需要一個廣泛的覆蓋區(qū)域，通過可靠數(shù)據(jù)從而形成穩(wěn)健耐用的網(wǎng)絡(luò)。實(shí)現(xiàn)這一過程的技術(shù)即是將傳感器數(shù)據(jù)無線傳輸至一個中央主機(jī)系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)諸如此類的大型網(wǎng)絡(luò)，還必須將另外一個關(guān)鍵領(lǐng)域考慮在內(nèi)，那就是整個傳感器節(jié)點(diǎn)必須有非常長的運(yùn)行使用壽命這一特征。使用壽命越長，養(yǎng)護(hù)成本越低。借助微控制器的功率優(yōu)化和諸如LiSOC12主電池的電池類型，這些處理器的供電運(yùn)行時間可以達(dá)到10年或更長的時間。

直到今天，更長距離的傳感器數(shù)據(jù)射頻(RF)傳輸還未得到廣泛實(shí)施。這個無線特性使得系統(tǒng)的功耗考慮更加復(fù)雜。雖然無線傳感器節(jié)點(diǎn)需要消耗盡可能低的平均功率，它還必須能夠?yàn)榕紶柍霈F(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸傳送高峰值電流。

從功耗角度來講，這便意味著傳感器系統(tǒng)內(nèi)的最低靜態(tài)電流與針對功率放大器的高效高功率能力之間需要相互組合。這也意味著器件、以及整體電源架構(gòu)本身選型方面的全新挑戰(zhàn)。

低靜態(tài)電流和長使用壽命

為了確保IoT-傳感器成為現(xiàn)實(shí)，傳感器的運(yùn)行必須具有成本有效性。一旦傳感器被安裝和啟動，它的運(yùn)行時間需要盡可能的長，以最大限度地減小養(yǎng)護(hù)訪問周期，并節(jié)約成本。

這意味著，一方面，必須選擇經(jīng)久耐用的材料和組件。另一方面，內(nèi)部電路也必須特有最低靜態(tài)電流，以便在電池電能一定的情況下獲得更長的運(yùn)行時間。

目前，這些應(yīng)用使用特定的主電池。諸如LiSOC12的化學(xué)電池類型特有超過1Wh/cm³的非常高的能量密度，并且人們可在市面上輕易地買到。這些主電池的自放電極低，而這正是需要考慮的另外一個方面。這就使得它們成為延長應(yīng)用使用壽命的第一選擇。

為了從這些參數(shù)中受益，電池電流必須被限制在5mA以下。超過了這個值的電流會增加自放電率，從而降低電池的使用壽命。由于內(nèi)部阻抗，更高的電流也會強(qiáng)制端子電壓增加。除了優(yōu)化電池本身，為了盡可能地減少電流泄露，也必須優(yōu)化耗能組件和電源架構(gòu)。

超低功耗微控制器片上系統(tǒng)(SoC)器件特有數(shù)個低功耗模式，以減少流耗。一個超低功耗SoC延長了應(yīng)用使用壽命，其原因在于其執(zhí)行的待機(jī)模式，當(dāng)直接與電池相連時，器件的流耗大約為2µA。圖1顯示的是這款器件在低功耗模式 (LPM3)下的電源電流。流耗取決于電源電壓(綠色跡線)。

當(dāng)SoC與一個超低功耗降壓轉(zhuǎn)換器組合在一起使用，以減少電源電壓時，流耗被進(jìn)一步減少。這些是靜態(tài)電流為幾百分之毫微安培的降壓轉(zhuǎn)換器。藍(lán)色跡線顯示的是，把電源電壓降壓至2.1V后，這個應(yīng)用汲取的電流。電池電壓越高，節(jié)省的電能就越多，其原因來自高效的降壓轉(zhuǎn)換。在3.6V的典型LiSOC12電池端子電壓上，總體流耗比直接電池連接下降了30%。

圖1：將微控制器SoC與一個降壓升壓轉(zhuǎn)換器組合在一起，可以將功耗減少30%

針對無線傳輸?shù)姆逯倒β?/p>

除了低IQ方面，傳感器必須將搜集和處理的數(shù)據(jù)傳至一個基站。例如，可以是一個本地數(shù)據(jù)集中器，它常用于公寓樓內(nèi)的智能燃?xì)鈧鞲衅鳌３藷o線儀表計量總線(無線M-Bus)，這也可以是用于高速橋梁上現(xiàn)場傳感器節(jié)點(diǎn)的全球移動通信系統(tǒng) (GSM) 基礎(chǔ)設(shè)施。

一個典型的工作模式就是全天搜集和處理數(shù)據(jù)，然后將采集到的數(shù)據(jù)在一天之內(nèi)最多傳輸數(shù)次。從功率角度來講，這表示，大多情況都需要維持在數(shù)微安范圍內(nèi)的低平均流耗，偶爾則需要對僅出現(xiàn)數(shù)毫秒的更高電流做出相應(yīng)支持。因此，數(shù)據(jù)傳輸所需要的能量數(shù)量取決于范圍和射頻協(xié)議。廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)是無線M-Bus和GSM。

表1中顯示的是三種常見標(biāo)準(zhǔn)之間的比較。每個標(biāo)準(zhǔn)具有一個典型的無線電放大器功率條件，以及傳輸持續(xù)時間內(nèi)所需要的電流。無線標(biāo)準(zhǔn)放大器條件示例電流持續(xù)時間

wM-Bus, 868MHz27dBm POUT, 3.3V100mA40ms

wM-Bus, 169MHz30dBm POUT, 3.6V300mA100ms

GSM2G高工功率，3.7V2000mA每時槽577µs

表1：幾個無線示例間的功率屬性比較

在某些情況下，無線電放大器需要的電流高達(dá)2.5A。上面描述的電池類型無法傳送這樣的電流量。為了不降低LiSOC12鋰一次型電池的使用壽命，甚至應(yīng)該避免5mA以上的電流。

能量緩沖概念

為了實(shí)現(xiàn)所述的脈沖負(fù)載運(yùn)行，需要考慮全新的電源管理概念。由于電池不能傳送所需的電流，在無線電未激活時，要將所需的能量儲存起來，使其可以在無線電被激活時使用。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要設(shè)計一個全新的電源概念來緩沖能量，并且將負(fù)載峰值從電池上去耦合。可用于能量緩沖的比較好的介質(zhì)是儲能電容器，因?yàn)樗鼈兡芰棵芏雀吆碗娙葜荡蟆?/p>

當(dāng)使用一個開關(guān)模式電源 (SMPS)時，一個電容器可以用與電池不同的電壓進(jìn)行高效充電。這可以在限流運(yùn)行中完成，然后定義電池的負(fù)載電流。

一旦能量被存儲在電容器中，電壓會被轉(zhuǎn)換為所需要的值，例如用于微控制器SoC的1.9V，或者針對無線電功率放大器的3.7V。這個轉(zhuǎn)換過程從緩沖電容器中獲得電能，并且將負(fù)載從電池上斷開(圖2)。

圖2：電容器儲能概念

當(dāng)使用一個SMPS緩沖電源架構(gòu)時，能量存儲采用2個基本概念：

升壓-儲能-降壓

降壓-儲能-升壓

在概念1中，將電池電壓升至較高電壓，并為電容器充電。然后，電壓被下降到SoC或放大器所需要的值。

這個概念會使用更小的電容器值，其原因在于，存儲的能量與電容器電壓的平方成正比。這個電壓的值越高，同一電容器中存儲的能量就越多。一旦電能被存儲在電容器中，電壓就被下降到所需的值。傳輸所需的能量提取自電容器，并因此從電池上斷開。

第二個架構(gòu)使用一個直接接至電池的降壓轉(zhuǎn)換器。電壓被下降，以便為電容器充電。在這里，因?yàn)殡妷狠^低，儲能電容值必須較高。然而，這樣的話就可以使用電氣雙層電容器(EDLC)，此類電容器具有數(shù)法拉第的大容量，并且可以輕松購得。在儲能電容器之后，電壓被升壓至所要求的值(圖3)。

圖3：包括“降壓-儲能-升壓”緩沖的無線傳感器節(jié)點(diǎn)電源機(jī)制

除了可用的電容值較高，這個機(jī)制特有3個優(yōu)勢：

該機(jī)制具有較低的儲能電容器電壓。與一個用更高電壓進(jìn)行充電的電容器相比，這個機(jī)制需要考慮的安全注意事項(xiàng)較少。

這個已經(jīng)被下降的電壓可被用來直接為SoC微控制器供電。這樣的話，只用一個始終處于激活狀態(tài)的SMPS，可以減少總體流蠔。

較低的電壓可以使EDLC類型電容器的使用成為可能。這些電容器可以提供高電容值。

當(dāng)在一個無線傳感器中使用一個降壓-儲能-升壓概念時(圖3)，EDLC的最低電壓由SoC電源電壓的最小需求量定義。然后，通過在無線電傳輸之前，將電容器充電至其2.7V的最大電壓，這個能量就被緩沖起來。這樣就把平均電源電壓保持在大約1.9V的最小值。在無線電傳輸期間，EDLC被放電至所定義的最小電壓。

要求最低靜態(tài)電流器件同時具有高功率是對電源架構(gòu)的一個挑戰(zhàn)。通過將所需能量存儲在一個EDLC中，使用“降壓-儲能-升壓”的能量緩沖概念可以解決負(fù)載峰值去耦合的問題。由于微控制器的電源電壓較低，它還可以實(shí)現(xiàn)更低的總體功耗。由于儲能電容器使用一個較低電壓，所以安全問題和顧慮更少。這個概念可以將儲能電容器中緩沖的能量與更低的總體流耗組合起來，以實(shí)現(xiàn)更長的應(yīng)用運(yùn)行時間。