“超省电”设备中的电源管理

     长期以来，在所有行业和市场中，我们一直都能够看到对于能够长期运行的高能效、电池供电型设备的需求。随 着物联网（IoT）的兴起，嵌入式设计人员正在以很大的精 力关注“超省电”设备的电源管理。当考虑到需要某种形式 无线连接的电池供电型设备时，无论在简单的点对点无线网 络配置还是更复杂的星型或网状网络中，这都尤为真实。有 许多被认为非常适合采用超省电设备类型的应用，其中一个 典型的例子是无线传感器节点，从功能上看，它是一个需要 长期运行（在某些情况下长达几年）同时采用电池供电的相 对简单的设备。
要 为 这 类 应 用 构 建 成 功 的 产 品 ， 开 发 人 员 必 须 考 虑 整 个 设 计 的 诸 多 方 面 。 这 些 设 计 考 虑 不 仅 包 括 微 控 制 器
（ M CU ） 和 它 的 能 效 等 级 ， 而 且 也 包 括 系 统 中 的 其 他 元 素，例如无线接口（不仅仅是物理实现，也包括使用的无线 协议）、系统级电源管理（例如，集成到MCU中的低压差 调节器或者专用电源管理IC）、传感器、以及需要收集和处 理传感器数据的模拟功能。
图1显示了无线传感器节点的关键组成部分。让我们首 先从MCU开始讨论，这是设计的核心。
对于电池供电的无线传感器节点来说，MCU必须具有 超高的能效。RF协议和数据处理的需求（可能用于信号调 节和数字信号处理）将可能决定32位或者8位MCU的选择，

图1  典型的无线传感器节点架构    

图2 32位的EFM32 MCU中的低能耗传感器接口（LESENSE）技术
尽管如此，无论MCU如何选择，许多低能耗需求依然是必要的。例如，把MCU从超低功耗模式唤醒到全速运行模式 的时间长度（例如2μs）将对电池电量节省产生显著的差 异。在这种情形下，MCU唤醒时间越短越好。在MCU进行 功耗模式转换期间，它不能做任何有意义的事情。
其 他 两 个 也 对 系 统 级 能 耗 具 有 显 著 影 响 的 参 数 是 ：
低功耗模式下的能耗（应当<1μA）和活动模式期间的能耗
（ 这依赖于使用的MCU内核以及MCU自身的处理技术节 点，通常应当在150μA/MHz或以下）。也有其他因素影响 能效，但是这三种因素（计算需求、低功耗模式时的能耗和 活动模式时的能耗）是最基本的架构考虑因素，将极大影响 应用中MCU的选择。
系统设计人员也应仔细考虑所选择的MCU有多少能力 不依赖于CPU内核本身。例如，通过传感器接口的自治处 理能力能够显著的节省能耗。自治型传感器接口通过MCU 为传感器提供激励信号（或者电源），能够读回和解释结 果，直到获得“有用”数据以后才唤醒MCU，这对于最大 化系统电池寿命大有帮助。例如，如图2所示，Silicon Labs 的EFM32 MCU架构结合了自治型低能耗传感器接口（又称 为LESENSE）以及片上比较器，能够从外设传感器收集数据并且仅仅在有正确或者有用数据后才唤醒CPU，实现所有功
能所需的超低功耗预算仅仅1.5μA。
虽 然 有 其 他 的 M CU 节 能 措 施 可 考 虑 用 于 超 省 电 型 应 用，但是我们仍然有更多应用可覆盖我们的简单无线传感器 节点应用示例。现在让我们转到无线连接组成部分，我们能 够考虑几种显著不同的选项。无线拓扑（如图3所示）和协 议选择（如图4所示）都将影响需要维持无线链路的功耗预 算。在某些情形下，采用私有sub-GHz协议的简单点对点连 接可能看起来是合适的选择，因为它可能仅需要消耗最少的 电池电量。然而，这个简单的无线配置限制了传感器发挥作 用的部署位置和范围。
构建在2.4GHz或者sub-GHz技术上的星型配置增加了传
感器部署的灵活性，这意味着能够在同一网络中部署更多的

图3  网络拓扑示例
传感器，但是这也可能增加用于传输数据的协议的复杂性，
因此增加RF传输量，并且导致消耗更多电池电量。
第三个值得考虑的选项是基于协议栈（例如ZigBee）的 网状网络配置。虽然网状网络消耗最大的传感器节点电池电 量，但是它也提供了包括节点到节点数据传输在内的节点 部署的最大灵活性。依赖于无线协议栈（例如ZigBee），网 状网络也能够提供具有自修复能力网络的最可靠部署选项
（即，如果网络中的一个节点发生了故障，被发送的消息仍 然能够发现另一条路径而达到目的地）。
与网络配置选择密切相关的是必须传输的数据量，或 者从节点到节点或者从节点到收集器。在传感器节点，在无 线链路上传输的数据量应当相对小（尤其是如果一些数据能 够在节点的MCU上处理，那么仅仅相关信息被发送，而不 是所有收集的数据被传输）。因此，ZigBee提供了最佳的网 状网络解决方案；Bluetooth Smart是基于标准的、功耗敏感 型点对点配置的最佳选择；专利的sub-GHz解决方案在星型 或者点对点配置中为网络大小、带宽和数据负载提供了最大 的灵活性。表1汇总IoT应用中领先的RF技术的多种关键特性和益处。
考虑采用长距离（long-range）技术和平台（例如LoRa 和Sigfox）也是有帮助的，它们支持高节点数量网络连接， 具有最大数十公里传输距离并且仍然支持低功耗系统。使用 这些长距离无线技术，能够在极广的区域部署节能型传感器 节点。
对于无线连接来说，另一个考虑因素是用来保护传输 数据的加密设计。如何处理加密对超省电型设备产生很大影 响。例如，ZigBee加密内建在协议栈中，但是如果用于运行 协议栈的MCU（或者处理器内核）没有适当的加密硬件， 那么它将不得不采用软件方法花费更多周期来运行算法。例 如，在一个具有AES硬件加速器的ARMCortex-M0+处理器上