电压控制提升传感器节点的效率---凯利讯半导体
无线传感器节点为物联网的发展提供了驱动力。无线传感器节点的两个最重要的方面是，它们应该对当地环境的变化作出反应，而且在一项电池充电的状况下，可以保持足够的能量以维持多年——这多是传感器的整个预期寿命。为了确保传感器只对重要的变化作出反应，愈来愈复杂的软件将被下载到它们中。反过来,这要求高效处理器如那些基于32位ARM®®皮层- m架构,对于简单的传感器,改进版本的8位核心如8051年。编程
系统级的功耗是由超过处理器自己功率效率的许多变量决定的。为了提升效率，低能耗的MCUs使用了一些智能外围设备来表明核心处理器来控制硬件。这些外设在不一样的时间运行，而且会有功率要求在毫秒到毫秒的基础上变化。他们须要灵活的电力架构来支持这一点。架构
须要控制系统的各个部分的电力，甚至是集成到MCU自己的外围设备的缘由是支持一个低的工做周期。任务周期决定了MCU处理器在它的生命周期中保持了多长时间，以及处理数据和休眠的时间。一个低的工做周期很重要，由于系统内的处理器几乎全部的时间都在睡觉，以节省能源。并发
低负荷的循环策略已经被证实是很是有效的在设计的电能表中，处理器核心能够休眠99%的整个生命周期。它只会从传感器输入中收集数据，一般是在预约的时间内，或者响应未计划的中断。智能外围设备经过检查输入数据而不须要唤醒处理器来支持这一点。只有当一个阈值被超过期，外围设备触发一个中断，这将致使处理器处理环境的变化。该策略确保只处理重要的更改。那些暗示不多发生变化的东西能够在内存中排队，当处理器核因为其余缘由被唤醒时处理。性能
例如，在计量应用程序中，一个寄存器编码器记录了自然气或水做为一系列脉冲的流量。若是没有硬件支持，MCU的处理器必须唤醒并采样I/O pin的状态，以肯定开关是打开仍是关闭。若是它是一个物理的簧片开关，须要额外的处理来消除开关，并管理上拉电阻，以检查它是一个有效的脉冲，并经过关闭开关来减小电流。优化
一种能量优化的方法是使用一个专用的输入捕获计时器，它能够在设备处于睡眠状态时自动操做。关闭开关能够在硬件寄存器中积累，须要不多的软件干预。可直接在硬件中集成开关去弹、拉升电阻管理和自校准等功能。有了两个定时器输入，能够支持正交解码功能来肯定流向。这提供了回流检测的功能，也提供了反篡改条款，这两种方法都用于触发中断，让处理器作出反应并发出警告消息。专用的低功率输入捕捉定时器能够消耗400 nA在3.6 V即便采样率高达500赫兹和超过1µA若是执行软件。编码
另外一个例子是为射频传输准备一条消息。这些数据必须被篡改几回。一个20字节的消息有效负载须要从仪表传输到收集器，一旦它由软件准备好，就会在SRAM中临时存储。为了确保在目标接收后的完整性，循环冗余校验(CRC)被计算并附加在消息的末尾。而后，须要使用scheme(如曼彻斯特，3:6)对整个消息进行编码，以提升传输的可靠性。那个编码的消息经过一个串行接口传送到无线电收发器。spa
一个专用的包处理引擎(DPPE)能够用于执行CRC、编码和传递到收发器，远比在软件中更有效，容许处理器在发生时休眠。使用DPPE不只减小了执行功能所需的时间，并且还减小了在那段时间内的当前消耗，由于闪存每每须要大量的电流，所以没有被访问。相反，全部操做都在本地内存中。在活动模式下，最终的结果能够达到90%的功率减小。设计
执行时间和当前消耗的比较图。blog
图1:对包CRC和编码任务的软件和DPPE的执行时间和当前消耗的比较。接口
为设计师提供一些方法来减小生命周期能源消耗、单片机设计这种类型的应用程序提供一个数量的睡眠模式,逐步收回权力核心,从各个组件存储在非易失性内存或专用的低泄漏状态寄存器,直到几乎全部的设备已关闭。例如，深度睡眠可让全部的核心外围设备(好比实时时钟)断电，这也消除了驱动芯片逻辑时钟的锁相环等电源电路的须要。
低能量睡眠模式极大地提升了传感器节点应用的电池寿命，但在单片机激活时能够进一步下降功耗。活动期间,任何逻辑电路的功耗是由公式简历²f C在哪里的总电容电路路径在设备内,V电源电压和f是操做频率。
为了最大化系统设计的灵活性，MCUs支持的电压高达3.6 V。然而，因为在低电压下运行的能量消耗优点，内部电路将使用可能被设置为1.8 V或更少的电源。因为它的实现相对简单，大多数MCU供应商使用一个线性稳压器，一般基于低退出(LDO)设计，将输入电压从电池组转换为所需的内部电源;可是线性转换器用它们的简单性来换取低效率。
这个问题是因为一个系统内部须要多个LDOs来提供不一样的外围设备，例如射频收发器，每一个均可以由电池直接提供。这个结构的问题是，例如，若是电池提供的电压为3.6 V，而在内部运行1.8 V的射频收发器，转换效率仅为50%。一个射频收发器能够在1.8 V和3.6 V之间产生电压，当输入移动到1.8 V时，它的电压转换效率会提升。这个效果须要考虑到MCU外部的每一个外围设备。
LDO和DC/DC变换器设计的能量效率比较。
图2:LDO和DC/DC的MCU设计的能效比较。
在MCUs中，如C8051F960或SiM3L1xx所采用的方法是将开关DC/DC转换器合并。转换转换的使用提升了效率。该技术采用脉宽调制(PWM)来给输出电路提供数据包，经过将电感和电容组合成一个恒定的输出电压和电流，使数据包平滑。一个离芯片的DC/DC转换器能够执行这个功能，但这增长了系统的组件计数。这个系统可能没法承受在尺寸方面受到挑战，这一般是传感器节点的状况。
除了减小单片机的有源模式电流外，集成的高效DC/DC变换器也有助于减小系统其余部分的电流需求。经过将直流/直流转换器的输出电压配置为MCU控制的外部外围设备的最低可接受设置，并将其从MCU的电压输出线路中进行馈电，可将总功耗减到最小。在外部射频收发器的状况下，外部电压输出可设置为1.8 V，并下降其总体电流需求。
一个集成的DC/DC转换器在电路级的能量优化方面提供了更大的机会，设计者能够利用电压与性能进行权衡，以适应目标应用程序。例如，EFM Pearl Gecko的能量管理单元为芯片上的电压调节器提供可编程控制。这使得当电池电压降低到足以影响转换效率的时候，就有可能关闭调节器，而且在没有中间转换的状况下，更有意义的驱动单片机的电路直接从电池驱动。另外一个使用的例子是在睡眠期间，一个简单的、低电流的转换器只驱动实时时钟，以确保它在适当的时候发出唤醒中断。
EFM32珍珠壁虎的内部电压结构示意图。
图3:EFM32珍珠壁虎的内部电压结构显示旁路线。
有些电路绕过了芯片上的DC/DC转换器，以免执行双重转换的问题。例如，闪存块一般包含一个电荷泵，以提供在写操做到存储线路时所需的更高的电压。模拟块也能够由直接电池供电或DC/DC转换器驱动，这取决于应用的须要。例如，直接链接到电池而不是开关调节器将有助于减小模拟电路中的噪音。
所以，一个具备集成功率转换的单片机，如在硅实验室范围内，提供了在系统级调整能量消耗的能力，提供了一个更高效的传感器节点和更长的电池寿命。