最大程度地延長無線家庭自動(dòng)化系統(tǒng)中的電池壽命

ADI公司 Brendan Daly

樓宇和家庭自動(dòng)化系統(tǒng)正在迅猛發(fā)展。“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監(jiān)控和測量溫度、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。

部署無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。本文欲研究將無線傳感器功耗降至最低，從而延長電池壽命的方法。同時(shí)考慮那些容易被忽略但對電池壽命和系統(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)值對系統(tǒng)的功率預(yù)算或平均功耗沒有太大影響。

在系統(tǒng)長時(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。此過程通常從一些基本技術(shù)規(guī)格開始，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，顯示了其功耗對整體系統(tǒng)的影響。

過去，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，數(shù)百納安(nA)級的IQ目前已很常見，某些公司甚至稱可以達(dá)到皮安(pA)級。

表1 15 min周期、高輸出功率的功率預(yù)算示例

表2 15 s周期、中輸出功率的功率預(yù)算示例

這一追求更低功耗的趨勢在微控制器開發(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)棘手問題。最大化效率的目的是盡量限制功率轉(zhuǎn)換級的數(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。芯片級封裝在此方面具有出色的性能。

在設(shè)計(jì)功率級時(shí)，許多設(shè)計(jì)人員可能直覺地認(rèn)為開關(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)而使用開關(guān)調(diào)節(jié)器。但開關(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)。開關(guān)調(diào)節(jié)器并不一定具有高噪聲。通過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)載間使用功率開關(guān)是一個(gè)不錯(cuò)的方案 (例如ADI公司的ADP190)。這些開關(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越流行。圖2所示為典型負(fù)載開關(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)有無線網(wǎng)絡(luò)的樓宇都能提供的。不過，Wi-Fi的協(xié)議堆棧比ZigBee更大。這會(huì)帶來更多計(jì)算和通信開銷，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時(shí)間，從而降低系統(tǒng)的整體平均功耗。另外，目前一些無線電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，直至無線電單元決定需要執(zhí)行某些通信或計(jì)算。

選擇無線電發(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，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。

表面上看這只是簡單的計(jì)算。接收機(jī)上的接收信號強(qiáng)度指示器(RSSI)功能可用于測量從發(fā)射機(jī)接收的信號的強(qiáng)度。還可開發(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?/p>

為了強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)，試舉一例，如圖3所示。現(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。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，低于接收機(jī)B的-95 dBm。

但現(xiàn)在假設(shè)目標(biāo)通道的相鄰?fù)ǖ纼?nèi)有-40 dB的干擾信號。這只是ISM頻段無線傳輸中的典型值。接收機(jī)的可用靈敏度按（相鄰?fù)ǖ栏蓴_幅度-接收機(jī)阻塞能力）計(jì)算。

(1)接收機(jī)A的相鄰?fù)ǖ雷枞?guī)格為34 dBm。因此它只能將干擾信號衰減34 dBm，即從-40 dBm衰減至-74 dBm。

(2)接收機(jī)B的相鄰?fù)ǖ雷枞?guī)格為48 dBm。它可以將干擾信號衰減48 dBm，即從-40 dBm衰減至-88 dBm。

由此看出，接收機(jī)A的靈敏度規(guī)格為-101 dBm，在相鄰?fù)ǖ罒o干擾的理想情況下良好。但在現(xiàn)實(shí)示例中，由于相鄰?fù)ǖ栏蓴_過大，它無法接收低于-74 dBm的任何信號。另一方面，接收機(jī)B可在-88 dBm的靈敏度下工作，事實(shí)上更適合該系統(tǒng)。這樣就可以在開發(fā)軟件算法時(shí)考慮上述條件，以通知發(fā)射機(jī)優(yōu)化發(fā)射輸出功率，實(shí)現(xiàn)這一性能。

收發(fā)器跳頻是優(yōu)化功耗的另一方式。在干擾信號多的高噪聲環(huán)境中，發(fā)射機(jī)可能需要提升輸出功率來克服高噪聲相鄰器件，確保發(fā)射的數(shù)據(jù)無毀損。然而，如果發(fā)射機(jī)可以在頻段內(nèi)自由漫游，則可以通過掃描尋找最安靜的位置，以便在該頻率下以更低的功率水平發(fā)射。許多ISM頻段收發(fā)器IC都集成了跳頻能力。

細(xì)摳每一納安的功耗并非無線家庭自動(dòng)化系統(tǒng)的真正任務(wù)。如同工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的其他問題一樣，最終還要做出一系列權(quán)衡。本文介紹了一些良好做法供系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員參考，當(dāng)然，實(shí)際設(shè)計(jì)中還必須考慮成本因素。