如何設(shè)計智能燃?xì)獗韺崿F(xiàn)能源效率最大化

圖3 DC-DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器改善RX功率預(yù)算更低休眠模式功耗

通常，電池供電之儀表99.9%的時間處于低功耗休眠模式。因此，盡可能降低休眠模式電路的功耗就變得非常關(guān)鍵。幾年前，通過使用32.768 kHz的晶體在3.6V電壓下驅(qū)動低功耗喚醒時鐘，最佳裝置可低至大約1μA電流消耗。隨著進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)，如今在同樣電壓下裝置在使用相同功能時僅需大約700nA。雖然凈節(jié)約僅300nA，但實際上該節(jié)約完全有效，可以從功率預(yù)算中直接減去此數(shù)值。

采用低功耗休眠模式裝置，可以將休眠模式預(yù)算從之前的8%降低到5%(如圖4所示)，即可達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。然而，這僅僅是達(dá)到目標(biāo)，還沒有超過目標(biāo)，仍需要做進(jìn)一步改善以實現(xiàn)整體設(shè)計目標(biāo)。最后的一個重點是如何降低工作模式的功耗。

圖4 休眠模式改進(jìn)對休眠模式功耗預(yù)算的影響

降低工作模式功耗

在儀表應(yīng)用中區(qū)分主要的功耗任務(wù)很重要。在本文所列舉的燃?xì)獗砘蛩砝又校袃蓚€主要任務(wù)：

? 為了計算流量，需要每秒鐘檢查簧片開關(guān)狀態(tài)20次。

? 每15秒鐘創(chuàng)建一個無線數(shù)據(jù)包，并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線發(fā)射器進(jìn)行廣播。

在許多計量儀表應(yīng)用中，都有一個被稱作寄存器編碼器的裝置用于記錄燃?xì)饣蛩牧髁俊Ｔ谟嬃肯到y(tǒng)中，表現(xiàn)為一系列開關(guān)事件或脈沖。傳統(tǒng)計量系統(tǒng)中，CPU必須喚醒并對I/O引腳的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行采樣。如果開關(guān)是物理簧片開關(guān)，需要額外CPU帶寬來反跳開關(guān)并控制上拉電阻器，從而確保脈沖有效性并通過閉合開關(guān)來盡量降低漏電電流。軟件中執(zhí)行該功能，即使在最優(yōu)化的系統(tǒng)中也需要消耗超過1μA電能。

更好的辦法是使用專用輸入捕獲定時器，這種定時器在裝置處于休眠模式時也能自動運行，與基于軟件的方法相比，這種技術(shù)有很多優(yōu)點。首先，開關(guān)次數(shù)可以累計到硬件寄存器上，幾乎不需要CPU干預(yù)。此外，諸如開關(guān)反跳、上拉電阻器管理和自動校準(zhǔn)的功能，可以直接集成到硬件上。采用兩個定時器輸入，可以支持判斷流量方向的正交解碼功能，使系統(tǒng)具備回流檢查能力和防篡改功能。在3.6V電壓下，即使采樣率高達(dá)500Hz，專用低功耗輸入捕獲定時器所消耗的電流也僅為400nA，相對于采用軟件執(zhí)行該功能的方法來說是一個顯著進(jìn)步。

當(dāng)CPU運行時，通常從非易失性存儲器(例如Flash存儲器)獲取指令。40%工作模式電流用于閃存讀取操作是很常見的。因此，不論在何種情況下，使用專用硬件外設(shè)(而非CPU)來移動數(shù)據(jù)都可以節(jié)省功耗。當(dāng)為RF傳輸準(zhǔn)備信息包時，數(shù)據(jù)需要多次編輯。例如，假設(shè)需要從儀表傳輸20個字節(jié)信息載荷到集中器。最初，這20個字節(jié)駐留在SRAM中;然而，該數(shù)據(jù)有可能包含客戶私有信息，必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密;隨后，循環(huán)冗余碼檢驗(CRC)計算并將其附在加密信息后面;最后，在通過串行外設(shè)接口(SPI)傳送到無線收發(fā)器前，整個信息將進(jìn)行編碼(例如：Manchester、3:6等)，所有這些功能都可以通過CPU以軟件方式實現(xiàn)。然而，采用專用硬件執(zhí)行任務(wù)會使系統(tǒng)效率更高，例如圖5所示專用數(shù)據(jù)包處理引擎(DPPE)。

圖5 采用DPPE硬件模塊的處理時間和功耗節(jié)省

使用DPPE不僅能減少執(zhí)行功能所需的時間，還能夠降低這段時間內(nèi)所消耗的電流，因為Flash存儲器不會被訪問。這樣工作模式下的功耗最終降幅可達(dá)90%。當(dāng)完成以上改進(jìn)后，我們可以超額完成工作模式下的節(jié)能目標(biāo)，所需功耗只占總體預(yù)算6%，如圖6所示。

圖6 利用DPPE降低智能儀表功耗結(jié)果

采用上述三種技術(shù)后，我們能夠成功將TX功耗預(yù)算的比重提高到70%，這完全是從RX模式、休眠模式和工作模式中節(jié)約功率的結(jié)果。換句話說，我們可以達(dá)到增加TX可靠性的整體設(shè)計目標(biāo)，而這并不需要采用更大電池容量或減少電池使用壽命。

本文所示的例子說明在智能儀表應(yīng)用中如何通過重新分配整體預(yù)算實現(xiàn)節(jié)能要求。然而，節(jié)能也可