功耗是無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)必須輕松連接到物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

無(wú)線收發(fā)器和微控制器的電源管理是實(shí)現(xiàn)最低功耗以實(shí)現(xiàn)最長(zhǎng)電池壽命的重要部分，但它可能需要復(fù)雜的硬件，軟件和分析組合。

Silicon Labs的BGM113是一款完全集成，經(jīng)過(guò)認(rèn)證的藍(lán)牙低能耗模塊，它結(jié)合了2.4 GHz藍(lán)牙片上系統(tǒng)，高效陶瓷芯片天線和符合藍(lán)牙4.2標(biāo)準(zhǔn)的軟件堆棧。

圖1：BGM113模塊為物聯(lián)網(wǎng)提供低功耗藍(lán)牙。

低功耗EFM32 Gecko微控制器技術(shù)是結(jié)合單個(gè)芯片上的超低功耗藍(lán)牙智能收發(fā)器。這樣可以實(shí)現(xiàn)更有效的數(shù)字電源管理，具有快速喚醒時(shí)間，更高的RF靈敏度和外設(shè)的透明管理，從而最大限度地降低功耗。完全集成的功率放大器和平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)+ 10 dBm的RF靈敏度提升，并為與應(yīng)用緊密耦合的電源管理提供更多機(jī)會(huì)。

ARM?Cortex?-M4內(nèi)核支持128至256 kB閃存大小和16至32 kB RAM大小以及通過(guò)外圍反射系統(tǒng)（PRS）連接的一系列低能耗外設(shè)。這允許它們作為數(shù)字電源管理的一部分從控制器自主操作。

藍(lán)牙智能模塊經(jīng)認(rèn)證可用于所有主要市場(chǎng)，包括北美，歐洲，日本和韓國(guó)，并可使用標(biāo)準(zhǔn)3 V紐扣電池或兩節(jié)AAA電池供電。

采用3 V電源的EFM32

內(nèi)存中的實(shí)際應(yīng)用EM0

運(yùn)行模式EM1

睡眠模式EM2

深度睡眠EM3

停止模式EM4

關(guān)閉模式電流消耗下降至63μA/MHz至低至32μA/MHz低至0.9μA低至0.6μA低至20 nA喚醒時(shí)間 - 02μs2μs160μs喚醒事件任何32 KHz外設(shè)異步IRQ，

12C從器件 - 模擬比較器

電壓比較器復(fù)位，

GPIO上升沿/下降沿CPU（Cortex-M3/M0）開(kāi) - - - - 提供高頻外設(shè) - - - 提供低頻外設(shè) - - - 可用的異步外設(shè)可用 - 全CPU和SRAM保持亮亮亮 - 上電復(fù)位/欠壓檢測(cè)開(kāi)亮亮亮開(kāi)

圖2：EFM32控制器的能量模式。

能量模式

運(yùn)行32 MHz和3 V時(shí)，EFM32控制器在運(yùn)行實(shí)際代碼時(shí)僅消耗150μA/MHz，但外圍設(shè)備控制器也有幾種低功耗模式。能量管理單元（EMU）進(jìn)一步管理數(shù)字控制下的系統(tǒng)功率。

六通道PRS鏈接外設(shè)并監(jiān)控系統(tǒng)級(jí)事件，以便不同外設(shè)可以在沒(méi)有CPU干預(yù)的情況下相互自主通信。 PRS會(huì)在喚醒CPU之前監(jiān)視特定事件，從而盡可能長(zhǎng)時(shí)間地將內(nèi)核保持在節(jié)能待機(jī)模式，從而降低系統(tǒng)功耗并延長(zhǎng)電池壽命。

EMU管理轉(zhuǎn)換在設(shè)備中的五種能量模式中，控制哪些外圍設(shè)備和功能可用以及設(shè)備消耗的電流量。

在能量模式0（EM0）下，CPU從閃存或RAM獲取并執(zhí)行指令，并且可以啟用所有低能耗外設(shè)。從這里開(kāi)始，內(nèi)核可以快速進(jìn)入低能耗模式之一，暫停CPU和閃存。喚醒后，所有低能耗模式在2μs內(nèi)返回EM0并使用180μA/MHz。

在EM1睡眠模式下，CPU的時(shí)鐘被禁用，但所有外設(shè)，包括閃存和RAM正在運(yùn)行，PRS從外設(shè)收集數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間保留在EM1中并保持完整數(shù)據(jù)。這使用45μA/MHz。

在EM2深度睡眠模式下，主高頻振蕩器關(guān)閉，但32 kHz振蕩器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘可用于低能量外設(shè)。 EM0的喚醒時(shí)間僅為2μs，低泄漏RAM確保完全數(shù)據(jù)保持，功耗為0.9μA。

EM3停止模式禁用低頻振蕩器，但保持低電平 - 漏電RAM供電，以便低功耗模擬比較器或異步外部中斷可以喚醒器件。此模式使用0.6μA。

對(duì)于不需要RTC或RAM保留的應(yīng)用，EM4關(guān)閉模式是可用的最深能量模式，喚醒的唯一方法是復(fù)位，這僅使用20 nA。

圖3：BGM113模塊中不同外設(shè)的可能能量模式。

《 p》 EMU還可用于關(guān)閉未使用的RAM模塊的電源，它包含DC-DC穩(wěn)壓器和電壓監(jiān)視器（VMON）的控制寄存器。它監(jiān)控多個(gè)電源電壓并具有多個(gè)通道，可以在代碼中單獨(dú)編程，以確定檢測(cè)到的電源是否低于選定的閾值。

電源管理

EMU和集成穩(wěn)壓器從模塊的集成DC-DC降壓穩(wěn)壓器產(chǎn)生內(nèi)部電源電壓，因此只需要一個(gè)外部電源電壓。這樣可以對(duì)內(nèi)部電壓進(jìn)行更精細(xì)的控制，從而最大限度地降低模塊的功率。

DC-DC轉(zhuǎn)換器可承受各種負(fù)載電流，在能量模式EM0中提供高達(dá)90％的效率， EM1，EM2和EM3。注意降低RF噪聲意味著DC-DC轉(zhuǎn)換器將在不降低無(wú)線電組件靈敏度的情況下運(yùn)行，這是無(wú)線收發(fā)器中數(shù)字電源管理的重要組成部分。

有各種保護(hù)功能DC-DC轉(zhuǎn)換器，包括可編程電流限制，短路保護(hù)和死區(qū)時(shí)間保護(hù)，當(dāng)輸入電壓過(guò)低而無(wú)法進(jìn)行有效操作時(shí)，它也可能進(jìn)入旁路模式。在旁路模式下，DC-DC輸入電源通過(guò)低電阻開(kāi)關(guān)在內(nèi)部直接連接到其輸出。此旁路模式還具有浪涌電流限制功能，可防止因輸出電流過(guò)大而導(dǎo)致輸入電源電壓下降。

時(shí)鐘

管理器件的時(shí)鐘信號(hào)是另一個(gè)關(guān)鍵因素。數(shù)字電源管理，允許外圍設(shè)備進(jìn)入低功耗模式。時(shí)鐘管理單元（CMU）控制BGM113中的振蕩器和時(shí)鐘，以及啟用振蕩器的配置。 CMU的靈活性允許軟件通過(guò)最小化未使用外設(shè)和振蕩器的功耗來(lái)優(yōu)化任何特定應(yīng)用中的能耗。但是，從設(shè)備設(shè)計(jì)開(kāi)始就考慮到數(shù)字電源管理，可以針對(duì)功率控制的不同元件優(yōu)化振蕩器。

因此，芯片上集成了兩個(gè)晶體振蕩器和四個(gè)RC振蕩器，38.4 MHz高頻晶體振蕩器（HFXO）為MCU和無(wú)線電提供精確的時(shí)序參考，以及32.768 kHz晶體振蕩器（LFXO）為低能耗模式提供精確的時(shí)序參考。

圖4：具有電源管理模塊的Blue Gecko控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

當(dāng)不需要晶體精度時(shí)，MCU系統(tǒng)可以使用集成的高頻RC振蕩器（HFRCO），這采用快速啟動(dòng)技術(shù)，能耗最低，頻率范圍寬，可以保持功率

另一個(gè)集成的低頻32.768 kHz RC振蕩器（LFRCO）可用作低能量模式下的定時(shí)基準(zhǔn)，并提供集成的超低頻1 kHz RC振蕩器（ULFRCO）提供低能耗模式下最低能耗的定時(shí)參考。

無(wú)線電子系統(tǒng)也是數(shù)字電源管理方案的一部分。 RFSENSE模塊在天線接口檢測(cè)到寬帶RF能量時(shí)產(chǎn)生系統(tǒng)喚醒中斷，從低能量模式（包括EM2，EM3和EM4）提供真正的RF喚醒功能。

這會(huì)觸發(fā)相對(duì)較強(qiáng)的RF信號(hào)并且可以在最低能量模式下使用，根據(jù)應(yīng)用代碼和使用的模式，可以實(shí)現(xiàn)非常低的能耗。它不會(huì)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)或限定，但軟件可以通過(guò)啟用正常的RF接收來(lái)響應(yīng)喚醒事件。

軟件

數(shù)字電源管理也是軟件鏈的一部分。 Simplicity Studio開(kāi)發(fā)工具的一個(gè)關(guān)鍵部分是energyAware Profiler，它可以從芯片訪問(wèn)高級(jí)能源監(jiān)控（AEM）數(shù)據(jù)。通過(guò)USB端口將開(kāi)發(fā)套件連接到PC，可以提供有關(guān)電流消耗的實(shí)時(shí)信息。

AEM允許開(kāi)發(fā)人員在應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)跟蹤能耗，因此可以在整個(gè)模塊中提供實(shí)際值而非估算值，以便全面了解能耗。

電流傳感器對(duì)流過(guò)控制器主電源軌的電流進(jìn)行采樣，對(duì)電流數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換以及電壓和定時(shí)信息。測(cè)量200μA以下的電流時(shí)，AEM的帶寬為60 Hz，測(cè)量200μA以上的電流時(shí)，AEM的帶寬為120 Hz。高于200μA，最大誤差為0.1 mA，低于200μA，精度提高至1μA，但傳感器仍可檢測(cè)到小至100 nA的電流消耗變化。

這允許通過(guò)更改應(yīng)用程序代碼來(lái)優(yōu)化功率。

代碼分析

這是通過(guò)energyAware Profiler能量調(diào)試工具完成的，該工具從AEM獲取數(shù)據(jù)并使用相關(guān)代碼在當(dāng)前與時(shí)間圖表中顯示信息。開(kāi)發(fā)人員可以放大能量圖的X（時(shí)間）和Y（功率）軸，以更精確地分析能耗的細(xì)節(jié)。此外，分析器提供能量圖，功能分析器和應(yīng)用程序代碼之間的直接關(guān)聯(lián)。

圖5：能耗分析代碼作為一部分BME113無(wú)線模塊的數(shù)字電源管理。

結(jié)論

數(shù)字電源管理貫穿整個(gè)BM113無(wú)線模塊。從控制器核心到外圍設(shè)備和無(wú)線電收發(fā)器，可以以不同方式關(guān)閉所有模塊以?xún)?yōu)化功耗。結(jié)合開(kāi)發(fā)工具中的能量分析代碼分析和模塊本身的實(shí)際數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)人員可以在整個(gè)模塊中有效地管理電源，從而最大限度地延長(zhǎng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的電池壽命。