技術(shù)解析：超低功耗技術(shù)可延長(zhǎng)物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器使用壽命

導(dǎo)讀：
物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 中一個(gè)最大的技術(shù)挑戰(zhàn)就是傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)在任何地方。這些傳感器能夠在已聯(lián)網(wǎng)住宅中被用于測(cè)量溫度和濕度、在實(shí)施養(yǎng)護(hù)監(jiān)視中被用于測(cè)量高速公路橋梁的機(jī)械應(yīng)力，或是在智能流量計(jì)量過程中被用于測(cè)量燃?xì)夂妥詠硭褂昧康葏?shù)。這些數(shù)據(jù)被服務(wù)器采集處理后，需要一個(gè)廣泛的覆蓋區(qū)域，通過可靠數(shù)據(jù)從而形成穩(wěn)健耐用的網(wǎng)絡(luò)。實(shí)現(xiàn)這一過程的技術(shù)即是將傳感器數(shù)據(jù)無線傳輸至一個(gè)中央主機(jī)系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)諸如此類的大型網(wǎng)絡(luò)，還必須將另外一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域考慮在內(nèi)，那就是整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)必須有非常長(zhǎng)的運(yùn)行使用壽命這一特征。使用壽命越長(zhǎng)，養(yǎng)護(hù)成本越低。借助微控制器的功率優(yōu)化和諸如LiSOC12主電池的電池類型，這些處理器的供電運(yùn)行時(shí)間可以達(dá)到10年或更長(zhǎng)的時(shí)間。

直到今天，更長(zhǎng)距離的傳感器數(shù)據(jù)射頻 (RF) 傳輸還未得到廣泛實(shí)施。這個(gè)無線特性使得系統(tǒng)的功耗考慮更加復(fù)雜。雖然無線傳感器節(jié)點(diǎn)需要消耗盡可能低的平均功率，它還必須能夠?yàn)榕紶柍霈F(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸傳送高峰值電流。

從功耗角度來講，這便意味著傳感器系統(tǒng)內(nèi)的最低靜態(tài)電流與針對(duì)功率放大器的高效高功率能力之間需要相互組合。這也意味著器件、以及整體電源架構(gòu)本身選型方面的全新挑戰(zhàn)。

低靜態(tài)電流和長(zhǎng)使用壽命
為了確保IoT-傳感器成為現(xiàn)實(shí)，傳感器的運(yùn)行必須具有成本有效性。一旦傳感器被安裝和啟動(dòng)，它的運(yùn)行時(shí)間需要盡可能的長(zhǎng)，以最大限度地減小養(yǎng)護(hù)訪問周期，并節(jié)約成本。

這意味著，一方面，必須選擇經(jīng)久耐用的材料和組件。另一方面，內(nèi)部電路也必須特有最低靜態(tài)電流，以便在電池電能一定的情況下獲得更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。
目前，這些應(yīng)用使用特定的主電池。諸如LiSOC12的化學(xué)電池類型特有超過1Wh/cm³ 的非常高的能量密度，并且人們可在市面上輕易地買到。這些主電池的自放電極低，而這正是需要考慮的另外一個(gè)方面。這就使得它們成為延長(zhǎng)應(yīng)用使用壽命的第一選擇。

為了從這些參數(shù)中受益，電池電流必須被限制在5mA以下。超過了這個(gè)值的電流會(huì)增加自放電率，從而降低電池的使用壽命。由于內(nèi)部阻抗，更高的電流也會(huì)強(qiáng)制端子電壓增加。除了優(yōu)化電池本身，為了盡可能地減少電流泄露，也必須優(yōu)化耗能組件和電源架構(gòu)。

超低功耗微控制器片上系統(tǒng) (SoC) 器件特有數(shù)個(gè)低功耗模式，以減少流耗。一個(gè)超低功耗SoC延長(zhǎng)了應(yīng)用使用壽命，其原因在于其執(zhí)行的待機(jī)模式，當(dāng)直接與電池相連時(shí)，器件的流耗大約為2µA。圖1顯示的是這款器件在低功耗模式 (LPM3) 下的電源電流。流耗取決于電源電壓（綠色跡線）。

當(dāng)SoC與一個(gè)超低功耗降壓轉(zhuǎn)換器組合在一起使用，以減少電源電壓時(shí)，流耗被進(jìn)一步減少。這些是靜態(tài)電流為幾百分之毫微安培的降壓轉(zhuǎn)換器。藍(lán)色跡線顯示的是，把電源電壓降壓至2.1V后，這個(gè)應(yīng)用汲取的電流。電池電壓越高，節(jié)省的電能就越多，其原因來自高效的降壓轉(zhuǎn)換。在3.6V的典型LiSOC12電池端子電壓上，總體流耗比直接電池連接下降了30%。

圖1：將微控制器SoC與一個(gè)降壓升壓轉(zhuǎn)換器組合在一起，可以將功耗減少30%

針對(duì)無線傳輸?shù)姆逯倒β?br />除了低IQ方面，傳感器必須將搜集和處理的數(shù)據(jù)傳至一個(gè)基站。例如，可以是一個(gè)本地?cái)?shù)據(jù)集中器，它常用于公寓樓內(nèi)的智能燃?xì)鈧鞲衅?。除了無線儀表計(jì)量總線（無線M-Bus），這也可以是用于高速橋梁上現(xiàn)場(chǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的全球移動(dòng)通信系統(tǒng) (GSM) 基礎(chǔ)設(shè)施。

一個(gè)典型的工作模式就是全天搜集和處理數(shù)據(jù)，然后將采集到的數(shù)據(jù)在一天之內(nèi)最多傳輸數(shù)次。從功率角度來講，這表示，大多情況都需要維持在數(shù)微安范圍內(nèi)的低平均流耗，偶爾則需要對(duì)僅出現(xiàn)數(shù)毫秒的更高電流做出相應(yīng)支持。因此，數(shù)據(jù)傳輸所需要的能量數(shù)量取決于范圍和射頻協(xié)議。廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)是無線M-Bus和GSM。

表1中顯示的是三種常見標(biāo)準(zhǔn)之間的比較。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具有一個(gè)典型的無線電放大器功率條件，以及傳輸持續(xù)時(shí)間內(nèi)所需要的電流。

在某些情況下，無線電放大器需要的電流高達(dá)2.5A。上面描述的電池類型無法傳送這樣的電流量。為了不降低LiSOC12鋰一次型電池的使用壽命，甚至應(yīng)該避免5mA以上的電流。

能量緩沖概念
為了實(shí)現(xiàn)所述的脈沖負(fù)載運(yùn)行，需要考慮全新的電源管理概念。由于電池不能傳送所需的電流，在無線電未激活時(shí)，要將所需的能量?jī)?chǔ)存起來，使其可以在無線電被激活時(shí)使用。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)一個(gè)全新的電源概念來緩沖能量，并且將負(fù)載峰值從電池上去耦合?？捎糜谀芰烤彌_的比較好的介質(zhì)是儲(chǔ)能電容器，因?yàn)樗鼈兡芰棵芏雀吆碗娙葜荡蟆?/p>

當(dāng)使用一個(gè)開關(guān)模式電源 (SMPS) 時(shí)，一個(gè)電容器可以用與電池不同的電壓進(jìn)行高效充電。這可以在限流運(yùn)行中完成，然后定義電池的負(fù)載電流。

一旦能量被存儲(chǔ)在電容器中，電壓會(huì)被轉(zhuǎn)換為所需要的值，例如用于微控制器SoC的1.9V，或者針對(duì)無線電功率放大器的3.7V。這個(gè)轉(zhuǎn)換過程從緩沖電容器中獲得電能，并且將負(fù)載從電池上斷開（圖2）。

圖2：電容器儲(chǔ)能概念

當(dāng)使用一個(gè)SMPS緩沖電源架構(gòu)時(shí)，能量存儲(chǔ)采用2個(gè)基本概念：
1.升壓-儲(chǔ)能-降壓
2.降壓-儲(chǔ)能-升壓

在概念1中，將電池電壓升至較高電壓，并為電容器充電。然后，電壓被下降到SoC或放大器所需要的值。

這個(gè)概念會(huì)使用更小的電容器值，其原因在于，存儲(chǔ)的能量與電容器電壓的平方成正比。這個(gè)電壓的值越高，同一電容器中存儲(chǔ)的能量就越多。一旦電能被存儲(chǔ)在電容器中，電壓就被下降到所需的值。傳輸所需的能量提取自電容器，并因此從電池上斷開。

第二個(gè)架構(gòu)使用一個(gè)直接接至電池的降壓轉(zhuǎn)換器。電壓被下降，以便為電容器充電。在這里，因?yàn)殡妷狠^低，儲(chǔ)能電容值必須較高。然而，這樣的話就可以使用電氣雙層電容器 (EDLC)，此類電容器具有數(shù)法拉第的大容量，并且可以輕松購得。在儲(chǔ)能電容器之后，電壓被升壓至所要求的值（圖3）。

圖3：包括“降壓-儲(chǔ)能-升壓”緩沖的無線傳感器節(jié)點(diǎn)電源機(jī)制

除了可用的電容值較高，這個(gè)機(jī)制特有3個(gè)優(yōu)勢(shì)：
o該機(jī)制具有較低的儲(chǔ)能電容器電壓。與一個(gè)用更高電壓進(jìn)行充電的電容器相比，這個(gè)機(jī)制需要考慮的安全注意事項(xiàng)較少。
o這個(gè)已經(jīng)被下降的電壓可被用來直接為SoC微控制器供電。這樣的話，只用一個(gè)始終處于激活狀態(tài)的SMPS，可以減少總體流蠔。
o較低的電壓可以使EDLC類型電容器的使用成為可能。這些電容器可以提供高電容值。

當(dāng)在一個(gè)無線傳感器中使用一個(gè)降壓-儲(chǔ)能-升壓概念時(shí)（圖3），EDLC的最低電壓由SoC電源電壓的最小需求量定義。然后，通過在無線電傳輸之前，將電容器充電至其2.7V的最大電壓，這個(gè)能量就被緩沖起來。這樣就把平均電源電壓保持在大約1.9V的最小值。在無線電傳輸期間，EDLC被放電至所定義的最小電壓。

要求最低靜態(tài)電流器件同時(shí)具有高功率是對(duì)電源架構(gòu)的一個(gè)挑戰(zhàn)。通過將所需能量存儲(chǔ)在一個(gè)EDLC中，使用“降壓-儲(chǔ)能-升壓”的能量緩沖概念可以解決負(fù)載峰值去耦合的問題。由于微控制器的電源電壓較低，它還可以實(shí)現(xiàn)更低的總體功耗。由于儲(chǔ)能電容器使用一個(gè)較低電壓，所以安全問題和顧慮更少。這個(gè)概念可以將儲(chǔ)能電容器中緩沖的能量與更低的總體流耗組合起來，以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的應(yīng)用運(yùn)行時(shí)間。