如何延长使用电源寿命或适应可用电源的限制

　　制定确保产品达到其目标使用寿命的能源预算可能有点像“魔法”，但有一些相对简单的技术可以帮助工程师在性能和功耗之间取得适当的平衡。第一部分本系列文章简要介绍了低功耗无线节点中常见的系统元件，并研究了最常用的能量收集和电池元件的容量和特性。第二部分将提供一种简单的方法来开发一阶能量预算，可用于确保预期的能量收集系统或电池的尺寸适合设计。随后将采用一些策略来微调设计以延长使用寿命或适应可用电源的限制。

　　定义您的要求

　　系统及其能量预算都始于对其预期任务、将执行的活动以及所需使用寿命的全面定义（图 1）。需要考虑的一些重要参数包括：

　　服务环境——系统的使用寿命和工作温度范围是多少？

　　采样模式/采样率——设计应该监控哪些模拟和数字输入，以及多久监控一次？哪些输入是按计划进行采样的，哪些输入是由外部刺激触发的？

　　收集了多少数据以及对数据应用了多少本地处理？

　　系统是否与其他节点或主机节点通信？如果是这样，是通过有线还是无线链接？

　　系统多久进行一次通信，在这个过程中交换了多少数据？

　　根据这些要求，工程师可以使用低功耗 MCU 和应用所需的任何附加 LDO、RTC/定时器、I/O 或通信电路来开发初步设计。

　　图 1：确定嵌入式系统各种操作模式的相对功耗是开发和管理其能量预算的重要部分（由 Silicon Labs 提供）。

　　例如，我们将使用基于 Microchip Technologies 的 16 位PIC16LF1826 MCU 的相对简单的数据记录传感器（图 2）。系统规范要求它每 100 毫秒采样一次。MCU 在其 RAM 中采集 32 个样本后，将数据写入外部 EEPROM。系统在样本组之间等待 50 秒，并用 5 毫秒存储收集到的数据。

　　图 2：基于 PIC16 MCU 的简单数据采集系统示意图（由 Microchip Technologies 提供）。

　　定义你的电源状态

　　要测量系统的最大动态功率，请使用示波器监测与电源串联的分流电阻（通常为 10-100 Ω）两端的电压。可以使用一个简单的程序使系统进入活动状态，该程序会在其操作的最活跃阶段使用 I/O、内存和其他外围设备。如果这不可用，则可以通过将每个组件的数据表上列出的工作电流额定值加上终端电路或电容负载施加的任何重要负载相加来确定相对准确的估计值。

　　如果系统将使用高阻抗电池（例如纽扣电池）或能量收集电源（通常将其电力存储在薄膜电池中）供电，则了解系统的最大动态电流尤为重要。这是因为如果系统的最大电流过高，会导致电源内部损耗过大。在许多情况下，可以降低系统时钟速度、收发器数据速率或依次激活和停用各种功能块，以将峰值电流保持在电源限制范围内。

　　还必须定义系统的静态电流消耗。因为它通常在几十或几百 nA 的范围内，实际测量可能很困难，但可以根据处理器和任何其他元件（通常是外部 RTC、LDO 和传感器）数据表中的空闲电流规格做出有用的估计电子设备），在系统处于“深度睡眠”模式时将保持活动状态。

　　建立电源配置文件

　　系统电源配置文件提供了一个结构来查看支持系统的每个操作状态（包括睡眠/待机）所需的能量以及它们在每个状态中花费的时间。它允许设计人员选择基准电源，并将优化工作集中在系统最大的“能量接收器”上。这个相当简单的过程涉及列出设计的操作状态/模式，以及每种模式的功耗和相对持续时间。例如，图 2 中系统的操作模式如下表所示（图 3）。此处显示的示例没有数据收发器，因此它只有几种模式（即睡眠、初始化、读取传感器、处理数据、存储数据等）。如果附加 I/O 元素，则可以将附加模式合并到配置文件中，

　　无论它有多少模式，电源配置表都是由以下人员创建的：

　　列出支持每种状态/模式所需的各个系统元素、每个元素的功耗以及它在给定时间段内处于该状态的相对时间量。如果有可用的工作原型，则可以根据经验得出功率水平。如果硬件不可用，可以根据组件数据表和系统运行要求进行估算；和

　　通过将其工作功率乘以在该模式下花费的时间来计算每个状态/模式下消耗的总能量。

　　图 3：系统电源配置表（由 Microchip Technologies 提供）。

　　系统功率曲线的数据使计算系统在其活动模式下的平均电流变得容易。这是通过将每个操作模式期间消耗的总电荷计算得出的，即 （3200 ms x 0.8 µA） + （0.32 ms x 0.8 µA） + 1.28 ms x 166.5 µA） 并将其除以其模式时间的总和 （ 3206.6 ms），平均电流为 2.788 µA。系统功率曲线还清楚地将缩放操作标识为峰值电流为 1.3 mA 的模式（图 4）。

　　图 4：应用程序电源配置文件的可视化表示（由 Microchip Technologies 提供）。

　　注意事项

　　尽管这种技术很有用，但重要的是要了解它计算应用程序的平均电流，假设它的唤醒活动遵循一个相当可预测的模式，该模式主要由来自其 RTC、板载计时器或其他定期发生的提示确定事件。如果应用程序的唤醒时间和活动受到非确定性外部刺激的严重影响，例如运动传感器、模拟比较器输出或与其他传感器网络元素的交互，则建议根据驱动的使用场景开发功率配置文件系统具有比典型应用程序中预期的更多的活动。在大多数情况下，这仍然意味着 MCU 将有 99.9% 或更多的时间处于睡眠或低功耗待机模式。

　　还应该注意的是，这种简化的方法没有考虑“唤醒时间”，即 MCU 从睡眠模式返回时汲取功率但其时钟振荡器还不够稳定以允许执行指令的时间段（图 5）。根据特定的 MCU 和使用的睡眠模式，这可以在 50 ns 和 1 ms 之间，并且可以占活动周期短的系统中功率预算的相当一部分。但是，这通常只有在系统的唤醒时间超过其活动周期长度的 1/10-1/20 时才值得关注。

　　图 5：在唤醒期间，MCU 在等待其时钟振荡器充分稳定以允许执行程序代码时消耗功率（由 STMicroelectronics 提供）。

　　能源考虑

　　构建的一阶模型将允许工程师将系统的平均电流消耗与特定能量收集或电池电源的可用能量进行比较。请记住，能量收集系统中的电池尺寸限制需要创造力和创新，以最大限度地提高电源效率（请参阅 TechZone 文章“能量收集设计中的最佳电源管理技术”）。

　　根据所需的使用寿命和功率要求，工程师可能计划用能量收集解决方案替换的大多数电池系统都使用标准碱性或锂电池，有多种标准外形尺寸/容量可供选择（图 6）。

　　图 6：常见电池化学成分的特性。

　　电池实际可以提供的实际电量取决于许多因素，包括工作温度和放电速度。由于低功耗嵌入式系统的电流要求相对较低，因此通常可以安全地假设大部分或全部电池的理论容量都是可用的。对于像 Energizer 3-315这样的碱性 AA 电池，这通常是 2500-2900 mAh，对于像Energizer 3-3121这样的 AAA 电池，这通常是 1000-1200 mAh 。

　　锂基电池的容量略高，寿命显着延长（长达 15 年），温度范围更广。纽扣锂电池可提供 30 mAh （CR1025） 至 600+ mAh （ CR2450 ） 的任何电量，而 Energizer L92 AAA电池可提供 1200 mAh。

　　平均可用电流 （I A ）可以使用以下公式计算：

　　I A =（总容量 - 保证金）/总小时数（服务年限 x 365x24）

　　注意 - 如果系统在中等温度范围内（通常在 0 到 25 摄氏度之间）运行，则等式中的裕度因子 = 0。对于在较温暖的环境中运行，电池容量应根据制造商的数据进行降额。

　　例如，如果 CR2450 纽扣锂电池的使用寿命为 12 年，则它可以支持高达 630 （12x365x24）mA （5.99 µA） 的平均负载。相比之下，典型的 AA 锂电池的保质期为 15 年，可支持 23.78 µA 的平均负载。

　　识别和调整主要的电源接收器

　　您构建的电源配置文件现在可用于确定降低系统功耗以延长其使用寿命的机会。由于典型的遥感节点大部分时间都处于待机/渗透模式，因此通常是通过采用以下策略开始优化过程的好地方：

　　只要可行，请使用睡眠/待机模式，该模式允许使用片上硬件来执行自主数据收集和存储，而无需唤醒 MCU。但是，如果数据收集周期不频繁，则在两次读数之间将系统置于完全断电模式仍可能会节省更多能量。

　　对于某些处理器，例如 Energy Micro 的 Gecko 系列和 Silicon Labs C8051F91x 系列，值得考虑在保持 MCU 的 RAM 内容完整的待机状态和低功耗睡眠状态之间的权衡。通常，RAM 友好型睡眠模式消耗的能量低于从冷启动恢复内存所需的能量。

　　工程师的功率配置文件还应揭示主动模式操作的一个或多个方面，这些方面可以进行功率优化。一些最常见的主动模式能量管理策略包括：

　　仔细考虑系统时钟速度对功耗的影响。通常，以更快的速度运行 MCU 可以让其快速执行代码并在睡眠/待机模式下花费更多时间，从而节省能源。

　　要小心，因为如果 MCU 必须经常花时间等待其他系统元素（I/O、A/D 转换器、内存等）完成其任务，则可能会失去任何节能效果。对于涉及访问非易失性存储器（尤其是串行 EEPROM）的操作尤其如此。这些设备的读/写周期的延迟很容易使 MCU 保持清醒的时间比工程师或系统电池想要的时间长得多。

　　对于这些“长帐篷杆”操作，寻找可以同时运行的其他操作，并在可能的情况下使用专用外设在 CPU 被占用时执行功能。

　　由于无线电系统通常比 CPU 更耗电（对于 Rx 功能通常在 10 到 20 mA 的量级，对于 Tx 甚至更多），通常最好使用能够可靠支持的最快数据速率系统的链路预算。但是，请注意保持在许多能量收集源和一些电池的有限电流能力范围内。

　　概括

　　本文只能作为对能量收支艺术和科学的介绍。要了解更多信息，下面提供的参考资料是一个很好的起点。

　　参考

　　Microchip 应用笔记 AN01416a——“低功耗设计指南”

　　Microchip 应用笔记 AN1267——“nanoWatt和 nanoWatt XLP 技术：Microchip 低功耗器件简介”。

　　Silicon labs 白皮书——“为您的嵌入式应用选择最佳电池”

　　STMicroelectronics – 技术文章 #TA0342 –“低功耗 MCU 的准确功耗估算”