最大程度地延長無線家庭自動化系統中的電池壽命

ADI公司 Brendan Daly

樓宇和家庭自動化系統正在迅猛發展。“智能樓宇”技術是多種因素共同推動的結果。全球能源中有近40%消耗在樓宇的供暖、制冷和照明上。提高這些技術的效率對保護環境、節省資金非常有利。為此，政府和地方機構都在通過立法大力推行能效更高的樓宇。與這一立法活動同步前進的還有新興技術，如LED照明、能量采集和越來越強的全球互聯性，都在推動樓宇自動化的發展。

圖1介紹了智能樓宇系統。智能樓宇的關鍵因素是部署更多傳感器來監控和測量溫度、運動、占位、光線。掌握這些條件后，智能樓宇就能實現通信并控制燈具、HVAC(暖通空調)、百葉窗和其他樓宇元件，以優化性能。

部署無線傳感器顯然很有吸引力，因為它比布線更便宜、更靈活，而且更易于實施。添加大量無線傳感器后，樓宇內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。同時考慮那些容易被忽略但對電池壽命和系統性能具有重大影響的參數。文中還將探討功率轉換、RF性能、通信協議等主題。

功耗(IDD)

傳統上，開發新設計時，工作功耗(IDD)是系統設計人員首先要考慮的事情。然而，除非元件持續工作，否則該數值對系統的功率預算或平均功耗沒有太大影響。

在系統長時間處于休眠模式的應用中，應該更多注重使用模式、功率預算和平均功耗。也就是考慮不同休眠模式的功耗、系統在每種狀態下可能耗費的時間。甚至進入和退出不同工作模式的轉換時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是一項重要因素，但卻不是選擇最合適器件的唯一準則。

功率預算可能是系統設計人員需要考慮的最重要因素。它包括計算系統在全工作模式、計算模式、通信模式、待機模式等模式下需要停留的時間。此過程通常從一些基本技術規格開始，例如需要執行計算和通信的頻率以及電池要容納的能量。

一般而言，系統大部分時間處于待機模式，僅在外部事件觸發時或周期性地喚醒，然后實施測量并將數據發送至主機系統。為此，休眠模式電流規格或靜態電流規格(IQ)非常重要。表1和表2提供了可用于電池供電傳感器應用的功率預算的示例。表格按不同工作模式細分，顯示了其功耗對整體系統的影響。

過去，IC公司重點關注IDD，而不太注意IQ。但隨著電池供電器件的普及，半導體行業迫切需要盡可能地降低IQ值。這需要結合智能IC設計與更新、更小的IC幾何尺寸來考慮。而IQ規格的理想目標值范圍很廣，要視IC的復雜度而定。不過，數百納安(nA)級的IQ目前已很常見，某些公司甚至稱可以達到皮安(pA)級。

表1 15 min周期、高輸出功率的功率預算示例

表2 15 s周期、中輸出功率的功率預算示例

這一追求更低功耗的趨勢在微控制器開發領域十分明顯。與較早的ARM7產品相比，Cortex M3和M4等最新微控制器內核更適合電池供電應用。不但可實現低IDD和低IQ規格，而且具有高水平的計算能力。多家新老微控制器廠商正在大筆投資這一領域，尤其是低功耗方面。

功率轉換

功率轉換和調節是另一個棘手問題。最大化效率的目的是盡量限制功率轉換級的數量。為此要放置一系列線性調節器(LDO)以產生電池所需的電壓軌，然而這不是最佳方法。對于任何線性調節器(此處考慮的是LDO)，輸入與輸出電壓間的差異越大，浪費的能量越多。LDO的效率n大致可由公式n=(Vo/Vin)×100%給出。因此當Vin接近Vout時，LDO工作效率最高。

LDO無法存儲能量，未傳遞給負載的能量只能以熱量形式耗散掉。功耗 PD=(Vin-Vout)×(Iin)。LDO的壓差規格用于衡量輸入至輸出間可以耐受的壓降，是影響功率轉換和調節級效率的主要因素。即使是單個器件，封裝不同也會導致壓差規格不同。這是由于特定封裝的焊線內存在損耗。芯片級封裝在此方面具有出色的性能。

在設計功率級時，許多設計人員可能直覺地認為開關調節器噪聲高、體積大而且太復雜，因而不會考慮舍棄LDO轉而使用開關調節器。但開關調節器與LDO相比具有高得多的功率轉換效率，特別是在輸入與輸出電壓差異較大時。開關調節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信息：www.analog.com/static/imported-files/tech_articles/Powering_High_Speed_ADCs.pdf。

當負載無法進入低功耗/休眠模式，或者負載器件的休眠模式消耗太多靜態電流時，在電池和負載間使用功率開關是一個不錯的方案 (例如ADI公司的ADP190)。這些開關可以有效切斷從電池到負載的所有功率，僅在需要時為負載供電。

當然，如果負載需要保留一些邏輯或存儲器信息，則不能選擇此方案，因為在此配置下器件完全關斷。另外，這些功率開關在工作時本身會消耗一定量的電流，但只有100 nA左右，僅為負載器件的靜態電流的百分之一到十分之一。當然，由于直接位于輸入與輸出之間的功率路徑內，功率損耗也不可避免。在手機和其他電池供電應用中，這些器件正變得越來越流行。圖2所示為典型負載開關。

通信協議

管理通信協議的軟件堆棧可能影響電池壽命。雖然ZigBee正在成為許多應用領域中的常用標準，但實施這種堆棧需要大量代碼。代碼尺寸變大導致處理器、收發器或兩者不得不承擔更多代碼開銷。顯然這會縮短電池壽命。

PopNet和SNAP等替代方案具有較少代碼。許多最終用戶稱這是實施ZigBee的主要障礙。Wi-Fi是另一個有吸引力的選擇，因為它是現有基礎設施中任何具備現有無線網絡的樓宇都能提供的。不過，Wi-Fi的協議堆棧比ZigBee更大。這會帶來更多計算和通信開銷，從而增加功耗（估計Wi-Fi功耗是ZigBee的兩倍）。

通信協議的系統分割也需要考慮。在典型系統中，微控制器（或類似器件）管理軟件堆棧，無線電單元執行物理通信。如果設計人員僅增加這些元件的工作功耗，則可能失之偏頗。一些發射機(例如ADI公司的ADF7023)無需喚醒微控制器便可實施部分軟件堆棧管理協議。這意味著微控制器可在休眠模式下保持更長時間，從而降低系統的整體平均功耗。另外，目前一些無線電IC已經嵌入了喚醒定時器，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行某些通信或計算。

選擇無線電發射機時，需要考慮許多參數。如果用戶不受特定協議限制，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，低頻比高頻發射得更遠。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射。具體視環境和其他因素而定，但根據經驗，433 MHz ISM頻段的工作范圍是900 MHz ISM頻段的兩倍。

RF接收機的靈敏度會影響發射機需要的輸出功率。因此，必須盡可能使用低靈敏度的接收機。這樣，發射機便可在盡可能低的功率水平下發射。

表面上看這只是簡單的計算。接收機上的接收信號強度指示器(RSSI)功能可用于測量從發射機接收的信號的強度。還可開發專用算法，向發射機反饋信息，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，相鄰通道間的干擾會影響接收機的可用靈敏度。因此要計算可用靈敏度，還應考慮相鄰通道的阻塞性能。

為了強調這一點，試舉一例，如圖3所示。現在考慮使用兩種不同的接收機接收強度為-80 dBm的信號。接收機A靈敏度為-101 dBm，相鄰通道阻塞為34 dBm。接收機B靈敏度為-95 dBm，相鄰通道阻塞為48 dBm。表面上看，接收機A是正確選擇，它可以接收低至-101 dBm的信號，低于接收機B的-95 dBm。

但現在假設目標通道的相鄰通道內有-40 dB的干擾信號。這只是ISM頻段無線傳輸中的典型值。接收機的可用靈敏度按（相鄰通道干擾幅度-接收機阻塞能力）計算。

(1)接收機A的相鄰通道阻塞規格為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B的相鄰通道阻塞規格為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A的靈敏度規格為-101 dBm，在相鄰通道無干擾的理想情況下良好。但在現實示例中，由于相鄰通道干擾過大，它無法接收低于-74 dBm的任何信號。另一方面，接收機B可在-88 dBm的靈敏度下工作，事實上更適合該系統。這樣就可以在開發軟件算法時考慮上述條件，以通知發射機優化發射輸出功率，實現這一性能。

收發器跳頻是優化功耗的另一方式。在干擾信號多的高噪聲環境中，發射機可能需要提升輸出功率來克服高噪聲相鄰器件，確保發射的數據無毀損。然而，如果發射機可以在頻段內自由漫游，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射。許多ISM頻段收發器IC都集成了跳頻能力。

細摳每一納安的功耗并非無線家庭自動化系統的真正任務。如同工程設計領域的其他問題一樣，最終還要做出一系列權衡。本文介紹了一些良好做法供系統設計人員參考，當然，實際設計中還必須考慮成本因素。