如何降低傾斜傳感器ADIS16209的功耗

1. 了解工作原理
示例的傾斜傳感器系統(tǒng)與圖1中的通用系統(tǒng)非常相似。MEMS加速度計(jì)包括傳感器元件和接口電路。加速度計(jì)信號(hào)通過一個(gè)單極點(diǎn)低通濾波器，該濾波器將信號(hào)帶寬限制在50Hz。模數(shù)轉(zhuǎn)換器以200 SPS的采樣率運(yùn)行，并將其輸出送入數(shù)字處理級(jí)。數(shù)字處理功能包括一個(gè)均值濾波器、溫度驅(qū)動(dòng)器校正公式、將靜態(tài)加速度計(jì)讀數(shù)轉(zhuǎn)變成傾斜角的數(shù)學(xué)函數(shù)、用戶接口寄存器和一個(gè)串行接口。

假設(shè)偏置誤差為零，當(dāng)加速度計(jì)的測(cè)量軸與重力方向垂直時(shí)，其輸出將為零。其測(cè)量軸與重力方向平行時(shí)，將產(chǎn)生+1 g或–1 g的輸出，極性取決于方向。靜態(tài)加速度計(jì)測(cè)量與傾斜角之間的關(guān)系是一個(gè)簡(jiǎn)單的正弦或正切函數(shù)，如圖3所示。這里的分析重點(diǎn)考慮水平模式（正弦）。

圖 3. MEMS傾斜傳感器工作原理

2. 通過產(chǎn)品文獻(xiàn)獲取相關(guān)信息
表 1 列出了影響高級(jí)傳感器系統(tǒng)周期供電的參數(shù)。這些參數(shù)一部分可從產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)獲得，而其他參數(shù)需要針對(duì)終端系統(tǒng)性能目標(biāo)進(jìn)行分析。PON和T1是數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的參數(shù)。其余參數(shù)可用于估計(jì)T2和T3。關(guān)閉模式功率得自線性調(diào)節(jié)器的關(guān)斷電流。

表 1. 傳感器系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

3. 利用經(jīng)驗(yàn)假設(shè)來量化其余影響因素
建立時(shí)間影響一個(gè)傳感器系統(tǒng)能夠支持的精度和測(cè)量速率。許多不同的因素都會(huì)影響建立時(shí)間，但這里重點(diǎn)分析電的因素。估計(jì)建立時(shí)間需要性能目標(biāo)、部分重要假設(shè)和一個(gè)用于分析傳感器對(duì)供電響應(yīng)的模型。第一項(xiàng)重要假設(shè)是濾波器在初始啟動(dòng)周期（上電時(shí)間）之后建立。雖然這兩個(gè)周期可以同時(shí)進(jìn)行，但以連續(xù)發(fā)生的方式著手分析是更為保守的方法。圖 4 提供分析傳感器對(duì)供電響應(yīng)的簡(jiǎn)化模型。

圖 4. 建立時(shí)間分析的模型

供電后，加速度計(jì)傳感器的輸出 a(t)呈現(xiàn)階躍響應(yīng)。因?yàn)閭鞲衅鞑捎脝坞娫垂╇?，其輸出很可能?huì)從零開始，并迅速轉(zhuǎn)變至確定其方位的電平。為簡(jiǎn)明起見，假定零輸出與最低有效加速度水平相對(duì)應(yīng)。這種情況下，我們采用–2 g加速度，以便在最小額定值–1.7 g的基礎(chǔ)上提供一些裕量。同時(shí)，最大傾斜范圍為+30°，相當(dāng)于+0.5 g。將這兩個(gè)間隔結(jié)合，加速度計(jì)信號(hào)在啟動(dòng)時(shí)可進(jìn)行的最大轉(zhuǎn)換為+2.5 g。單極點(diǎn)、低通濾波器的階躍響應(yīng) b(t)可通過以下公式獲得：

包括數(shù)字濾波器的模型需要離散形式的 b(t)，以及一個(gè)總和模型來仿真濾波器。

建立時(shí)間是在規(guī)定精度AE范圍內(nèi)穩(wěn)定到最終值所需的時(shí)間。圖5顯示兩條瞬態(tài)響應(yīng)曲線，指示每條曲線達(dá)到0.1 g精度所需的建立時(shí)間。

圖 5. 上電瞬態(tài)響應(yīng)

本例中，誤差預(yù)算允許0.2°的建立精度。正弦公式提供一種將此目標(biāo)轉(zhuǎn)變成加速度衡量指標(biāo)的簡(jiǎn)單方法。

使用諸如Excel或MATLAB之類的工具對(duì)此公式進(jìn)行建模將非常簡(jiǎn)單。如果使用Excel，輸出在N = 16時(shí)的第18次采樣和N=64 時(shí)的第65次采樣達(dá)到距0.5 g約3 mg內(nèi)的水平。將這些數(shù)值分別除以采樣速率(200 SPS)，可針對(duì)21ms (N = 1)、 90ms (N = 16)和325ms (N = 64)這些設(shè)置提供建立時(shí)間估計(jì)值。假設(shè)熱建立的相關(guān)誤差可忽略不計(jì)（如合理的話）。因?yàn)樗剂康钠骷峁┝藴囟刃?zhǔn)響應(yīng)，所以這一假設(shè)應(yīng)該可以接受。驗(yàn)證此假設(shè)為在最終表征過程中確認(rèn)精度提供了好機(jī)會(huì)。

此類系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集時(shí)間T3不需要超過一個(gè)采樣周期，因?yàn)樗斜匦璧男Ｕ蜑V波都在器件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。采集時(shí)間只會(huì)使總體測(cè)量時(shí)間增加5ms。

4. 使功耗與周期時(shí)間相關(guān)
此分析的最后一部分與平均功耗和周期時(shí)間有關(guān)，周期時(shí)間實(shí)際上等于各測(cè)量事件之間的時(shí)間量。表2總結(jié)了重要的周期供電因素，包括傳感器數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定或通過該簡(jiǎn)單分析過程產(chǎn)生的因素，以及完全啟動(dòng)（周期供電）和休眠模式恢復(fù)（周期休眠）的次數(shù)。

表 2.關(guān)鍵周期供電參數(shù)匯總

下面通過計(jì)算舉例說明，如何使用這些參數(shù)來分析和比較一個(gè)要求測(cè)量速率為1SPS的系統(tǒng)的周期供電和周期休眠。

周期供電：

周期休眠：

這里的周期休眠非常有利。但是，如果將周期時(shí)間增加至每分鐘采樣一次(TC = 60 s)，周期供電方式的平均功耗會(huì)是0.2mW，而周期休眠方式為1.2 mW。圖6所示為周期時(shí)間與平均功耗的關(guān)系。

圖 6.周期時(shí)間與平均功耗的關(guān)系

休眠模式保留全部初始化值，同時(shí)關(guān)閉系統(tǒng)其余部分。盡管保持這些設(shè)置需要一定功率，但恢復(fù)時(shí)間要比完全啟動(dòng)更快。傾斜傳感器ADIS16209具有可編程休眠時(shí)間和自動(dòng)喚醒功能。這種解決方案非常適用于那些具有數(shù)據(jù)就緒信號(hào)喚醒功能的主處理器，在讀取所需數(shù)據(jù)后命令傳感器再次在另一個(gè)固定的周期內(nèi)重新處于休眠模式。使用休眠模式的另一 MEMS產(chǎn)品實(shí)例是振動(dòng)傳感器ADIS16223，該傳感器收集并儲(chǔ)存振動(dòng)數(shù)據(jù)，自動(dòng)返回至休眠模式，然后啟動(dòng)對(duì)另一測(cè)量事件的倒計(jì)時(shí)。這種傳感器非常適合需要進(jìn)行周期性監(jiān)控的系統(tǒng)，無需分配處理器資源來管理休眠模式和數(shù)據(jù)收集模式。

這里通過簡(jiǎn)單分析提供了部分有用的深度信息。具體而言，在某些情況下，不管休眠模式需要多少功率，通過休眠模式管理仍然能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能。在上述示例中，需要以1 SPS速率進(jìn)行傾斜測(cè)量的系統(tǒng)采用休眠模式，省電能力提高了4倍。此處，休眠模式針對(duì)最高6s的測(cè)量周期時(shí)間可實(shí)現(xiàn)節(jié)能。對(duì)于測(cè)量周期時(shí)間更長(zhǎng)的系統(tǒng)，與關(guān)斷性能相關(guān)的功率開銷更低，從而使得平均功率電平更低。

結(jié)論
無論是出于經(jīng)濟(jì)還是環(huán)保原因，降低功耗的要求都很普遍。降低功耗可以減小功率轉(zhuǎn)換器、電池和太陽能電池等電源的尺寸和成本。其他潛在好處還包括降低熱和機(jī)械設(shè)計(jì)要求，降低EMI輻射，有利于環(huán)境影響評(píng)級(jí)。

對(duì)于重視高集成度傳感器產(chǎn)品但又不得不考慮盡可能降低功耗的工程師而言，本文提到的概念和分析方法提供了一個(gè)很好的起點(diǎn)。更重要的是，因?yàn)槊糠N系統(tǒng)設(shè)計(jì)都存在新的機(jī)會(huì)與風(fēng)險(xiǎn)，所以確定并分析影響總體功率目標(biāo)特性的相關(guān)思考過程將更加重要。完成初始分析之后，或許一句俄羅斯諺語“Доверяй, но проверяй`”（“信任，但要確認(rèn)”）最能說明該如何確保最終成功實(shí)現(xiàn)。要跟蹤重要假設(shè)，例如建立精度(3 mg)及熱建立因素是否會(huì)有影響。如果有合適的硬件，要在盡可能匹配其預(yù)期使用條件的情況下測(cè)試這些解決方案。最后，測(cè)試這些假設(shè)將增加自信，并可調(diào)整改善新假設(shè)，以用于今后的電源管理方法分析。