“零功率”無線傳感器由環(huán)境能量供電，幾乎在每個細分市場都有應(yīng)用。但是，工程師必須格外小心地管理微量能量收集可用的有限功率預(yù)算。通過將超低功耗 MCU 和 RF IC 與高效電源轉(zhuǎn)換設(shè)備相結(jié)合，工程師可以創(chuàng)建無需更換電池即可運行的無線傳感器，以延長系統(tǒng)組件的有效使用壽命。為了設(shè)計這些高效系統(tǒng)，工程師可以利用來自 Cymbet、Linear Technology、 Maxim Integrated Products、Microchip Technology、Silicon Labs和Texas Instruments等制造商的超低功耗器件和專用 IC 。

　　除了適用于光、熱、振動或射頻能量的傳感器外，零功率無線傳感器系統(tǒng)設(shè)計通常還包括功率轉(zhuǎn)換和管理單元、微控制器、射頻無線電和應(yīng)用傳感器（圖 1）。在運行中，系統(tǒng)將微弱的幾微瓦環(huán)境能量轉(zhuǎn)換為足夠的功率，以允許系統(tǒng)定期喚醒、收集應(yīng)用傳感器數(shù)據(jù)、執(zhí)行所需的傳感器信號處理和數(shù)據(jù)格式化，并最終傳輸結(jié)果。

　　圖 1：典型的零功耗無線傳感器結(jié)合了能量傳感器、能量處理能力、MCU、RF 無線電和應(yīng)用傳感器（Cymbet 提供）。

　　典型的無線傳感器應(yīng)用將需要幾百毫秒或更短的時間來完成傳感器數(shù)據(jù)收集和傳輸事件。對于監(jiān)控現(xiàn)實世界進程的大多數(shù)應(yīng)用程序，傳感器事件可能每隔幾分鐘而不是每隔幾秒發(fā)生一次。因此，無線傳感器表現(xiàn)出一種活動配置文件，其特點是長時間的靜止狀態(tài)會被活動突發(fā)周期性地中斷（圖 2，另請參見 TechZone 文章“超低功耗 MCU 實現(xiàn)能量收集設(shè)計”）。

　　圖 2：典型無線傳感器的活動配置文件表現(xiàn)出較長的靜止期，被活動突發(fā)中斷，喚醒轉(zhuǎn)換持續(xù)時間不同，具體取決于振蕩器類型和設(shè)備要求（德州儀器提供）。

　　無線傳感器的低占空比操作特性為工程師在創(chuàng)建無線傳感器設(shè)計的高效電源、處理和通信階段提出了獨特的挑戰(zhàn)。功率級必須能夠收集環(huán)境能源并產(chǎn)生足夠的電力來為下游電路供電。在無線傳感器中，通信需求導(dǎo)致的峰值需求遠遠超出環(huán)境源瞬時可用的需求。因此，功率級必須能夠有效地對存儲設(shè)備進行涓流充電，例如像 Cymbet EnerChip 這樣的薄膜電池，或者像太陽誘電LR 系列或伊頓 PowerStor這樣的超級電容器系列。在峰值負載期間，電源管理系統(tǒng)必須能夠切換到存儲的能量來為活動突發(fā)以及與返回到靜止狀態(tài)相關(guān)的活動供電。

　　為了設(shè)計合適的功率級，工程師可以求助于專門的、高度集成的能量收集器件，例如 Cymbet CBC915或 Linear LTC3588、Maxim MAX17710，它們都提供專為能量微收集應(yīng)用設(shè)計的電源轉(zhuǎn)換功能（圖 3，另請參閱 TechZone 文章“用于微采集設(shè)計的電源管理 IC ”）。

　　圖 3：Maxim MAX17710 等專用微采集 IC 可為無線傳感器中的環(huán)境源電源提供現(xiàn)成的解決方案（由 Maxim Integrated Products 提供）。

　　這些器件構(gòu)成了環(huán)境源電源的核心，為無線傳感器系統(tǒng)的應(yīng)用階段提供轉(zhuǎn)換后的能量。隨著具有集成外圍設(shè)備（包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC））的 MCU 的廣泛使用，應(yīng)用電路可以簡單地由 MCU 和 RF 設(shè)備組成，而附加的分立元件最少。對于工程師來說，挑戰(zhàn)就變成了通過最大限度地減少浪費的功率和最大限度地提高處理和通信操作的效率來滿足非常緊張的功率預(yù)算。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，制造商為 MCU 和 RF 設(shè)備配備了多種省電模式，使工程師能夠在設(shè)備功能與功耗之間取得良好的平衡。對于零功耗無線傳感器設(shè)計，

　　待機模式

　　由于無線傳感器應(yīng)用中通常存在低占空比操作，待機模式往往是這些系統(tǒng)中的主要操作狀態(tài)。即使是長時間的靜止狀態(tài)的綜合功耗也可能不會上升到單個活動突發(fā)期間發(fā)現(xiàn)的瞬時水平。然而，待機模式下的電源效率將在確定系統(tǒng)在使用稀缺環(huán)境能源方面的整體效率方面發(fā)揮重要作用。

　　待機功耗主要來自兩個主要因素：設(shè)備的泄漏電流和在睡眠模式下支持系統(tǒng)所需功能所需的最小功率。器件引腳上的泄漏是不可避免的（圖 4），但當今的超低功耗器件具有最小的泄漏電流，通常呈現(xiàn)微安甚至納安的每個引腳值，并且隨著每一代新一代器件的出現(xiàn)，泄漏電流將繼續(xù)下降到新的低點。工藝技術(shù)。

　　圖 4：簡化模型說明了代表性輸入引腳的泄漏電流（由 Microchip Technology 提供）。

　　工程師還需要在功率預(yù)算中考慮分立元件的泄漏，直接使用指定的泄漏額定值或通過基于電容器的絕緣電阻 （IR） 規(guī)格的計算：

　　I = V x C / IR

　　其中 IR 以兆歐或兆法拉。

　　工程師可以通過關(guān)閉他們自己的電路或支持這種選擇性電源狀態(tài)的集成設(shè)備中不需要的電路來進一步降低泄漏電流。例如，應(yīng)用傳感器和 RF 級可以分別僅在數(shù)據(jù)采集和通信的突發(fā)活動開始和結(jié)束時單獨上電。如下所述，高級射頻電路允許工程師以編程方式禁用射頻信號鏈的選定部分，以降低泄漏電流和整體功耗。

　　在睡眠模式期間，無線傳感器系統(tǒng)必須保持足夠的功能，以根據(jù)編程標準或響應(yīng)外部事件觸發(fā)的中斷來喚醒自己。對于典型應(yīng)用，此最低功能級別可能包括在活動突發(fā)之間保留 MCU 狀態(tài)和內(nèi)存內(nèi)容，而不是在突發(fā)周期結(jié)束時將狀態(tài)寫入非易失性存儲器并在下一次突發(fā)開始時恢復(fù)狀態(tài)時期。

　　MCU 還需要能夠檢測電源電壓欠壓并采取適當?shù)拇胧?，包括安全返回待機狀態(tài)甚至自行復(fù)位。例如，Microchip PIC12LF1840T48A集成 MCU 包括一個可編程的掉電復(fù)位 （BOR） 功能，該功能可在發(fā)生掉電時使 MCU 復(fù)位（圖 5）。如果不加以考慮，掉電可能會導(dǎo)致狀態(tài)損壞，因為電源會低于保持 MCU 狀態(tài)、寄存器值、程序狀態(tài)和內(nèi)存所需的最低電壓。

　　圖 5：Microchip PIC12LF1840T48A 等 MCU 可以編程為在電源掉電時復(fù)位。此處，當電源電壓低于掉電電壓閾值 VBOR 時，器件將置位復(fù)位，并保持復(fù)位狀態(tài)，直到 VDD 上升至高于 VBOR 加上遲滯值（由 Microchip Technology 提供）。

　　除了這些最低功能要求之外，MCU 還需要保留響應(yīng)外部事件中斷的能力，例如溫度、壓力或突然加速的變化。或者，工程師可以設(shè)計一個無線系統(tǒng)來定期喚醒并執(zhí)行傳感器測量。對于這種定時輪詢方法，處于待機模式的 MCU 必須能夠保持實時時鐘 （RTC） 功能和響應(yīng) RTC 警報的能力。Silicon Labs Si1030x 和 Texas Instruments MSP430F513x等集成 MCU提供片上 RTC，并提供維持 RTC 功能和鬧鐘喚醒功能的低功耗模式。

　　醒來

　　在每微瓦都至關(guān)重要的能量微收集設(shè)計中，從待機模式到活動模式的過渡代表了當電路重新通電到有用的操作模式時浪費的功率。喚醒期間所需的功率開始耗盡寶貴的存儲能量，這是與應(yīng)用程序活動突發(fā)相關(guān)的峰值負載所必需的。因此，針對這些系統(tǒng)的 MCU 和 RF 設(shè)備應(yīng)該具有非?？斓膯訒r間。此外，理想情況下，這些設(shè)備應(yīng)支持以定義的順序為所需子電路供電的能力，以避免超過瞬時功率預(yù)算，從而可能導(dǎo)致整個無線傳感器系統(tǒng)崩潰。這種順序啟動能力在“冷啟動”情況下尤為重要，

　　對于 MCU，喚醒時間是一個關(guān)鍵的性能特征。Silicon Labs Si1030x 等 MCU 在短短 2 μs 內(nèi)從睡眠模式喚醒到活動模式。Texas Instruments MSP430F513x MCU 在 5 μs 內(nèi)從低功耗模式喚醒，甚至在 2 ms 內(nèi)從掉電復(fù)位中喚醒。MSP430F513x 還提供慢速喚醒功能，可在低功耗模式下提供喚醒序列。

　　Silicon Labs Si4420等射頻設(shè)備允許工程師有選擇地為射頻信號鏈的各個階段供電。通過設(shè)置或重置設(shè)備電源管理控制寄存器中的位，工程師可以在不同時間激活或停用所需的特定電路塊。

　　主動模式

　　睡眠和喚醒模式下的電源效率對于確保可以積累足夠的能量來供應(yīng)活動突發(fā)期間產(chǎn)生的峰值負載至關(guān)重要。在活動模式下，最小化活動功耗對于確保峰值需求（并返回靜態(tài)狀態(tài)）不會超過可用功率（通常來自系統(tǒng)存儲的電源）至關(guān)重要。降低有功功耗的最直接方法之一是使用盡可能低的電源電壓。電源電壓是以下 CMOS 邏輯門動態(tài)功耗等式中的一個主要因素：

　　活動模式功耗 = C x V2 xf

　　其中

　　C是加工技術(shù)的函數(shù)，

　　V 是電源電壓

　　f 是柵極的開關(guān)頻率。

　　MCU 制造商數(shù)據(jù)表通常會引用相對于 1 MHz 的動態(tài)電流。用這些術(shù)語重新表述，主動模式方程變?yōu)椋?/p>

　　主動模式功率 = V * I

　　其中動態(tài)電流 I = C x V xf

　　適用于能量微采集應(yīng)用的低功耗 MCU 的動態(tài)額定電流通常低于 300 uA/MHz（同樣，請參閱 TechZone 文章“超低功耗 MCU 實現(xiàn)能量收集設(shè)計”）。此類設(shè)備通常在 1.8 V 至 3.6 V 的電源電壓范圍內(nèi)工作，這是低壓微收集設(shè)計的基本特征。

　　使用高度集成的設(shè)備也有助于消除浪費的電力?；旌闲盘柶舷到y(tǒng) （SoC） 設(shè)備，例如前面提到的 Microchip PIC12LF1840T48A、Silicon Labs Si1030x 和德州儀器 MSP430F513x，結(jié)合了無線傳感器所需的完整功能，集成了 RF、MCU、ADC、GPIO、時鐘、穩(wěn)壓器和電源管理單元在單個設(shè)備上，從而消除與片外訪問相關(guān)的延遲和電源效率低下。

　　這些器件通常提供可編程射頻輸出功率，以及允許工程師有選擇地禁用單個外設(shè)的靈活操作模式。例如，在 Silicon Labs Si103x 集成 MCU 中，工程師可以設(shè)置片上收發(fā)器的操作模式以禁用部分射頻信號鏈，就像前面提到的獨立 Si4420 射頻收發(fā)器芯片一樣。在 Si103x 中，工程師可以設(shè)置禁用信號鏈部分（包括功率放大器、接收器單元、PLL 等）的射頻模式，將動態(tài)電流從完全運行時的 18.5 mA 降低到寄存器節(jié)省待機模式下的 450 nA。當然，工程師需要在這些節(jié)能與重新激活這些階段所需的額外喚醒時間之間取得平衡。

　　即使使用最高度集成的組件，無線電通信通常也會在無線傳感器系統(tǒng)中占據(jù)不成比例的大部分功耗。工程師可以通過優(yōu)化射頻功率和通信協(xié)議來最小化功率。當接收器在物理附近時，單個無線傳感器節(jié)點可以在非常低的輸出功率水平下運行。例如，工程師可以使用配備收發(fā)器的 SoC（例如 Silicon Labs Si1030x 和 Texas Instruments MSP430F513x）提供的 RSSI 輸出（圖 6）來估計與無線網(wǎng)絡(luò)接收器的距離并相應(yīng)地調(diào)整發(fā)射器輸出功率。

　　圖 6：工程師可以使用 Silicon Labs Si1030x 等 SoC 中可用的 RSSI 輸出來優(yōu)化射頻功率輸出（由 Silicon Labs 提供）。

　　工程師還可以設(shè)計無線傳感器以適應(yīng)可用的能源資源。如果無線傳感器系統(tǒng)以最小的能量儲備運行，則可以將其設(shè)計為根據(jù)可用能量儲備按比例改變射頻輸出功率水平，僅當有足夠的儲備能量可用以確保完成傳輸和返回時，才以全輸出功率傳輸系統(tǒng)進入待機模式。

　　使用低開銷通信協(xié)議還可以顯著降低與通信相關(guān)的功率要求。無線傳感器數(shù)據(jù)通信通常在所需通信事務(wù)的類型中受到很好的限制。無需支持一長串事務(wù)類型，工程師可以將數(shù)據(jù)包消息信封減少到可靠地完成數(shù)據(jù)傳輸所需的最低開銷。

　　最大化無線傳感器系統(tǒng)效率的機會擴展到軟件架構(gòu)。工程師還可以通過選擇不同的數(shù)據(jù)處理方法來優(yōu)化活躍期。例如，使用傳感器數(shù)據(jù)計算趨勢的應(yīng)用程序可能會容忍接收歷史數(shù)據(jù)的一定延遲。在這種情況下，無線傳感器可以喚醒，收集瞬時傳感器數(shù)據(jù)，并立即返回睡眠狀態(tài)。只有在積累了許多數(shù)據(jù)點之后，系統(tǒng)才需要保持足夠長的清醒時間來為相對耗電的射頻電路供電并完成數(shù)據(jù)傳輸。

　　概括

　　在環(huán)境能源的支持下，高效的無線傳感器系統(tǒng)可以連續(xù)運行，其使用壽命僅取決于其組件的可靠性。然而，要實現(xiàn)這種永久供電無線設(shè)計的理想，需要優(yōu)化待機、喚醒和活動模式的電源特性?？捎玫?MCU、RF IC 和 RF 混合信號 SoC 具有豐富的功率控制功能，可實現(xiàn)這種級別的功率優(yōu)化。通過將這些節(jié)能 IC 與專門的能量收集設(shè)備相結(jié)合，工程師可以通過能夠無限期運行的無線傳感器設(shè)計來滿足復(fù)雜的應(yīng)用要求。