最大程度地延長(zhǎng)無(wú)線家庭自動(dòng)化系統(tǒng)中的電池壽命

樓宇和家庭自動(dòng)化系統(tǒng)正在迅猛發(fā)展?！?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/智能樓宇">智能樓宇”技術(shù)是多種因素共同推動(dòng)的結(jié)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(shù)的效率對(duì)保護(hù)環(huán)境、節(jié)省資金非常有利。為此，政府和地方機(jī)構(gòu)都在通過(guò)立法大力推行能效更高的樓宇。與這一立法活動(dòng)同步前進(jìn)的還有新興技術(shù)，如LED照明、能量采集和越來(lái)越強(qiáng)的全球互聯(lián)性，都在推動(dòng)樓宇自動(dòng)化的發(fā)展。
圖1介紹了智能樓宇系統(tǒng)。智能樓宇的關(guān)鍵因素是部署更多傳感器來(lái)監(jiān)控和測(cè)量溫度、運(yùn)動(dòng)、占位、光線。掌握這些條件后，智能樓宇就能實(shí)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(wú)線傳感器和控制的智能樓宇

部署無(wú)線傳感器顯然很有吸引力，因?yàn)樗炔季€更便宜、更靈活，而且更易于實(shí)施。添加大量無(wú)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(wú)線傳感器功耗降至最低，從而延長(zhǎng)電池壽命的方法。同時(shí)考慮那些容易被忽略但對(duì)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(kāi)發(fā)新設(shè)計(jì)時(shí)，工作功耗(IDD)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)系統(tǒng)的功率預(yù)算或平均功耗沒(méi)有太大影響。
在系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于休眠模式的應(yīng)用中，應(yīng)該更多注重使用模式、功率預(yù)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(fèi)的時(shí)間。甚至進(jìn)入和退出不同工作模式的轉(zhuǎn)換時(shí)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(xiàng)重要因素，但卻不是選擇最合適器件的唯一準(zhǔn)則。
功率預(yù)算可能是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要考慮的最重要因素。它包括計(jì)算系統(tǒng)在全工作模式、計(jì)算模式、通信模式、待機(jī)模式等模式下需要停留的時(shí)間。此過(guò)程通常從一些基本技術(shù)規(guī)格開(kāi)始，例如需要執(zhí)行計(jì)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(shí)間處于待機(jī)模式，僅在外部事件觸發(fā)時(shí)或周期性地喚醒，然后實(shí)施測(cè)量并將數(shù)據(jù)發(fā)送至主機(jī)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(yīng)用的功率預(yù)算的示例。表格按不同工作模式細(xì)分，顯示了其功耗對(duì)整體系統(tǒng)的影響。

過(guò)去，IC公司重點(diǎn)關(guān)注IDD，而不太注意IQ。但隨著電池供電器件的普及，半導(dǎo)體行業(yè)迫切需要盡可能地降低IQ值。這需要結(jié)合智能IC設(shè)計(jì)與更新、更小的IC幾何尺寸來(lái)考慮。而IQ規(guī)格的理想目標(biāo)值范圍很廣，要視IC的復(fù)雜度而定。不過(guò)，數(shù)百納安(nA)級(jí)的IQ目前已很常見(jiàn)，某些公司甚至稱可以達(dá)到皮安(pA)級(jí)。
這一追求更低功耗的趨勢(shì)在微控制器開(kāi)發(fā)領(lǐng)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(yīng)用。不但可實(shí)現(xiàn)低IDD和低IQ規(guī)格，而且具有高水平的計(jì)算能力。多家新老微控制器廠商正在大筆投資這一領(lǐng)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(gè)棘手問(wèn)題。最大化效率的目的是盡量限制功率轉(zhuǎn)換級(jí)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(duì)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(fèi)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(dāng)Vin接近Vout時(shí)，LDO工作效率最高。
LDO無(wú)法存儲(chǔ)能量，未傳遞給負(fù)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(jí)效率的主要因素。即使是單個(gè)器件，封裝不同也會(huì)導(dǎo)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(jí)封裝在此方面具有出色的性能。
在設(shè)計(jì)功率級(jí)時(shí)，許多設(shè)計(jì)人員可能直覺(jué)地認(rèn)為開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器噪聲高、體積大而且太復(fù)雜，因而不會(huì)考慮舍棄LDO轉(zhuǎn)而使用開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器。但開(kāi)關(guān)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(shí)。開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器并不一定具有高噪聲。通過(guò)以下鏈接了解本話題的一些詳細(xì)信息：www.analog.com/static/imported-files/tech_articles/Powering_High_Speed_ADCs.pdf。
當(dāng)負(fù)載無(wú)法進(jìn)入低功耗/休眠模式，或者負(fù)載器件的休眠模式消耗太多靜態(tài)電流時(shí)，在電池和負(fù)載間使用功率開(kāi)關(guān)是一個(gè)不錯(cuò)的方案(例如ADI公司的ADP190)。這些開(kāi)關(guān)可以有效切斷從電池到負(fù)載的所有功率，僅在需要時(shí)為負(fù)載供電。
當(dāng)然，如果負(fù)載需要保留一些邏輯或存儲(chǔ)器信息，則不能選擇此方案，因?yàn)樵诖伺渲孟缕骷耆P(guān)斷。另外，這些功率開(kāi)關(guān)在工作時(shí)本身會(huì)消耗一定量的電流，但只有100 nA左右，僅為負(fù)載器件的靜態(tài)電流的百分之一到十分之一。當(dāng)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(jī)和其他電池供電應(yīng)用中，這些器件正變得越來(lái)越流行。圖2所示為典型負(fù)載開(kāi)關(guān)。

通信協(xié)議
管理通信協(xié)議的軟件堆棧可能影響電池壽命。雖然ZigBee正在成為許多應(yīng)用領(lǐng)域中的常用標(biāo)準(zhǔn)，但實(shí)施這種堆棧需要大量代碼。代碼尺寸變大導(dǎo)致處理器、收發(fā)器或兩者不得不承擔(dān)更多代碼開(kāi)銷。顯然這會(huì)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(shí)施ZigBee的主要障礙。Wi-Fi是另一個(gè)有吸引力的選擇，因?yàn)樗乾F(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施中任何具備現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的樓宇都能提供的。不過(guò)，Wi-Fi的協(xié)議堆棧比ZigBee更大。這會(huì)帶來(lái)更多計(jì)算和通信開(kāi)銷，從而增加功耗（估計(jì)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(wú)線電單元執(zhí)行物理通信。如果設(shè)計(jì)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(jī)(例如ADI公司的ADF7023)無(wú)需喚醒微控制器便可實(shí)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(zhǎng)時(shí)間，從而降低系統(tǒng)的整體平均功耗。另外，目前一些無(wú)線電IC已經(jīng)嵌入了喚醒定時(shí)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(wú)線電單元決定需要執(zhí)行某些通信或計(jì)算。
選擇無(wú)線電發(fā)射機(jī)時(shí)，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(yuǎn)。也就是說(shuō)，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(yàn)，433 MHz ISM頻段的工作范圍是900 MHz ISM頻段的兩倍。
RF接收機(jī)的靈敏度會(huì)影響發(fā)射機(jī)需要的輸出功率。因此，必須盡可能使用低靈敏度的接收機(jī)。這樣，發(fā)射機(jī)便可在盡可能低的功率水平下發(fā)射。
表面上看這只是簡(jiǎn)單的計(jì)算。接收機(jī)上的接收信號(hào)強(qiáng)度指示器(RSSI)功能可用于測(cè)量從發(fā)射機(jī)接收的信號(hào)的強(qiáng)度。還可開(kāi)發(fā)專用算法，向發(fā)射機(jī)反饋信息，指示輸出功率可以降低多少，以便在維持無(wú)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?fù)ǖ篱g的干擾會(huì)影響接收機(jī)的可用靈敏度。因此要計(jì)算可用靈敏度，還應(yīng)考慮相鄰?fù)ǖ赖淖枞阅堋?BR> 為了強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)，試舉一例，如圖3所示?，F(xiàn)在考慮使用兩種不同的接收機(jī)接收強(qiáng)度為-80 dBm的信號(hào)。接收機(jī)A靈敏度為-101 dBm，相鄰?fù)ǖ雷枞麨?4 dBm。接收機(jī)B靈敏度為-95 dBm，相鄰?fù)ǖ雷枞麨?8 dBm。表面上看，接收機(jī)A是正確選擇，它可以接收低至-101 dBm的信號(hào)，低于接收機(jī)B的-95 dBm。