如何設(shè)計(jì)智能燃?xì)獗韺?shí)現(xiàn)能源效率最大化

對(duì)于需要RF連接的嵌入式控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電子水表和燃?xì)獗砜梢宰鳛樽罹咛魬?zhàn)性低功耗設(shè)計(jì)的典型代表。這些系統(tǒng)的特點(diǎn)是電池供電(例如：燃?xì)獗砗退戆惭b點(diǎn)一般不提供墻電)，并要求電池使用壽命為20年以上。公共事業(yè)供應(yīng)商提出這個(gè)要求，是因?yàn)閮H一次專家維護(hù)的成本就超過(guò)智能儀表的全部成本。由于有超長(zhǎng)壽命的設(shè)計(jì)要求，幾乎所有水表和燃?xì)獗矶际褂娩噥喠蝓Ｂ?LiSOCl2)化學(xué)電池，因?yàn)槠浞浅５偷淖苑烹娞匦?，在儀表中的使用壽命可達(dá)20年以上。然而，這種電池價(jià)格昂貴(約1.5美元/安時(shí))，導(dǎo)致單個(gè)水表或燃?xì)獗碇须姵谺OM成本高達(dá)10~15美元。

許多智能儀表供應(yīng)商決定通過(guò)擴(kuò)展產(chǎn)品的通信覆蓋范圍使其產(chǎn)品脫穎而出。在他們的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，一定數(shù)量的儀表通過(guò)sub-GHz網(wǎng)絡(luò)發(fā)送使用和計(jì)費(fèi)信息到安裝在電線桿上的中繼器，中繼器收集匯總信息并通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)或其他回傳通道發(fā)送到公共事業(yè)服務(wù)商。中繼器可以支持大約1000個(gè)儀表節(jié)點(diǎn)。然而，中繼器成本往往是單個(gè)儀表節(jié)點(diǎn)成本的10~100倍。儀表供應(yīng)商通常要面對(duì)來(lái)自其客戶的壓力，要求降低網(wǎng)絡(luò)中中繼器的數(shù)量，解決這一問(wèn)題最現(xiàn)實(shí)的方法是提高發(fā)射器(TX)鏈路的穩(wěn)固性。

改進(jìn)TX鏈路預(yù)算的方法有許多。一種最顯而易見(jiàn)的解決方案是使用功率放大器(PA)增大發(fā)射器輸出功率。然而就電池使用壽命而言，這種方法的成本也最高。另一種解決方案是增強(qiáng)協(xié)議，盡量減少信息錯(cuò)誤和隨之而來(lái)的重傳次數(shù)。雖然這種技術(shù)比簡(jiǎn)單增加PA的方法更加節(jié)省功耗，但仍然比當(dāng)前功率預(yù)算增加大約40%。

假設(shè)重新設(shè)計(jì)的智能儀表有以下三個(gè)設(shè)計(jì)要求：

? 40%以上的功率預(yù)算分配給TX功能，以增加覆蓋范圍

? 維持現(xiàn)有LiSOCl2電池大小(A)和容量(3650mA-hr)

? 維持現(xiàn)有的電池使用壽命20年

策略很明確，在TX預(yù)算范圍內(nèi)增加功耗，但不增加整體功耗預(yù)算，這就意味著必須降低其他功能區(qū)功耗，例如：RX、工作模式和休眠模式預(yù)算。圖1顯示原始功耗預(yù)算和重新設(shè)計(jì)后的目標(biāo)預(yù)算。

圖1 智能儀表應(yīng)用功耗預(yù)算對(duì)比更高電壓轉(zhuǎn)換效率

為了增加CMOS電路性能并降低其功耗，芯片設(shè)計(jì)人員通常采用最小尺寸并且實(shí)用的裝置來(lái)構(gòu)建集成電路。一般情況下，嵌入式處理器和RF收發(fā)器采用0.18μm、0.13μm甚至90nm工藝設(shè)計(jì)。降低裝置功率消耗的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是降低內(nèi)部工作電壓，從而降低CVf開(kāi)關(guān)損耗。

即使電池供電裝置支持3.6V供電電壓，裝置通常也可以在很低的內(nèi)部電壓下工作。

市場(chǎng)上幾乎所有裝置內(nèi)部都集成片上低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)，當(dāng)輸入電壓為3.6V時(shí)，調(diào)節(jié)輸出一個(gè)很低的片內(nèi)電壓，通常為1.8V或更低。換句話說(shuō)，一個(gè)輸入電壓為3.6V的線性穩(wěn)壓器輸出電壓為1.8V，將產(chǎn)生50%轉(zhuǎn)換效率。顯然，隨著輸出電壓的下降，這種效率將變得更差。

更先進(jìn)的嵌入式控制器，例如圖2中C8051F960 MCU，集成了比LDO控制器效率更高的開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器。大多數(shù)情況下，此裝置開(kāi)關(guān)效率可高達(dá)85%，可以降低來(lái)自電池的總體電流并延長(zhǎng)電池壽命。

圖2 傳統(tǒng)MCU和先進(jìn)MCU的開(kāi)關(guān)效率對(duì)比

采用這種方法，可以大大降低當(dāng)前RX功率預(yù)算。

也就是說(shuō)，無(wú)線電接收器所消耗的電池電流大約是使用DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器(而不僅僅是LDO)的62.5%。采用這種方法的實(shí)際結(jié)果是降低了RX電流功耗預(yù)算。

隨著這一改變的實(shí)現(xiàn)，我們已經(jīng)接近滿足新RX功耗預(yù)算要求(例如圖3所示：從30%降至19%，盡管目標(biāo)是降至18%)。接下來(lái)，我們有必要繼續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)中的其他運(yùn)行模式。