伴隨您的一生：長(zhǎng)期工作的超低功耗系統(tǒng)之設(shè)計(jì)

伴隨您的一生：長(zhǎng)期工作的超低功耗系統(tǒng)之設(shè)計(jì)

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(jí)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。
　　便攜式消費(fèi)電子設(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(duì)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(duì)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(cè)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(yíng)銷經(jīng)理Juan Alvarez對(duì)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(jí)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(duì)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?！?br/>　　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(shì)（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(kù)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(zhǎng)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(zhǎng)長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(jí)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(jí)的抽運(yùn)電流。請(qǐng)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(duì)放大器內(nèi)部電容進(jìn)行充電、且只有毫微安級(jí)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>