如何让高整合传感器降低平均功耗

由于感测器准确度与给定的功率位准高低息息相关，因此系统功耗降低的空间往往会受到限制;而电力循环(PowerCycling)技术可藉由分析感测器工作周期(DutyCycle)，适当控制感测器开关状态，有助开发人员达到最低系统平均功耗，并兼顾感测精准度。

系统开发人员就算对感测器并不熟悉，仍能运用具有高整合度、规格完整的感测器，将开发成本和风险降到最低。由于感测器准确度完全是按照给定的功率位准来决定，因此开发人员降低功率消耗的空间将受到压缩。事实上，对于必须严格管理能源使用情形的产品，电力循环(PowerCycling)技术可为降低平均功率消耗开辟一条新道路。本文将聚焦于电力循环及其对总体功率消耗的影响。电力循环是一种重要的能源管理技巧，是在不需要某项功能时，就关闭其电源的流程，像是在不进行测量时，就关闭感测器系统，这样做能够降低平均功率消耗。

PON是系统处于正常工作状态的功率消耗，POFF是系统处于关闭态的功率消耗，这两者均与剩余电流(ResidualCurrent)相关，像是电源稳压器要维持功率开关或关机模式所需的电流，其典型值在1微安培(μA)左右。开启时间(OnTime,TON)是感测器系统开启、进行所需测量，然后再关闭所需的时间量;关闭时间(TOFF)取决于系统须要进行感测器测量的频繁程度。如果关闭状态的功率远小于开启状态的功率，则平均功率消耗基本上与工作周期(DutyCycle)成正比。例如，如果关闭状态的功率为零且工作周期为10%，则平均功率消耗为正常工作下功率消耗的10%。

感测器系统运作流程复杂

感测器可将物理量(如温度、加速度或应力等)转换成电子讯号。为合理使用这些电子讯号，感测器元件需要一些支援功能，如讯号调节、滤波、偏移与增益调整以及温度补偿。高级感测器产品还包括类比数位转换器(ADC)，并在单一封装中提供上述功能，以实现完整且经过校准的感测器至资料位元转换功能。这类产品让使用者略过元件级设计，略过复杂的特性与校正运算，能够以更少的投入资源，实现更短的设计周期。虽然高整合度感测器可减轻电路级设计的决策负担，但如果希望利用电力循环降低平均功率，则须了解其内部工作原理，如下。

每颗感测器元件都需要一个介面电路，将元件中的物理变化转换为标准讯号处理元件可用的电子讯号。例如，电阻应变计(一种在应力改变时，阻值就会改变的电阻)常以电桥的形式将阻值的改变转换成电子讯号。另一个例子是微机电系统(MEMS)惯性感测器，如加速度计和陀螺仪，其微小的结构可藉由极板间位移所造成的电节点间电容改变，进而对惯性运动的变化做出回应。可变电容元件的介面电路通常会组合调变级和解调级，将电容值的变化转换成电子讯号。

缓冲级为类比数位转换器的输入级准备好讯号，包括位准转换、增益、偏移修正、缓冲和滤波功能。当感测器讯号经过数位化之后，数位处理功能便进一步增加资讯值。数位滤波h(n)则可降低杂讯，聚焦在目标频宽内。例如，机器故障检测系统可能使用一个带通滤波器(Band-passFilter)聚焦在与一般机构磨损相关的频率特征。其他的感测器，尤其是需要稳定直流参考电压的类型，使用低通滤波器(Low-passFilter)就能够辨识出更多值。

感测器准确度可能受到很多其他零件的总体影响而有很大的差异。为收歛误差分布，提高测量确定性，感测器系统通常包括一个校准程序，以确定各感测器在已知刺激和条件下的特性，并提供特定单位公式，来校正在所有预期工作条件范围下的输出。最终处理级f(n)代表特定处理，例如用三角关系将加速度计的静态地心引力测量转换成方位角。

电力循环须考量资料撷取时间

评估感测器系统中电力循环的有效性时，设计人员必须确定撷取有效资料所花的时间。TM是量测时间(MeasurementTime)、TC是循环时间(CycleTime)。测量时间取决于启动时间(Start-upTime)T1、安定时间(SettlingTime)T2和资料撷取时间(Data-acquisitionTime)T3。

启动时间取决于系统处理器与初始化常式，该常式是支援感测器资料取样与讯号处理操作一定要执行的步骤。使用高整合度感测器系统时，通常产品文件中会规定启动时间。这类产品有的会提供休眠模式，让启动时间更快，但代价是其断电时的功率消耗比关机模式要高。

安定时间可包括感测器、介面电路、滤波器和物理元件的电气行为，以及热安定时间与机构安定时间。某些情况下，这些暂态行为在开机时就已经安定下来，因此对总体测量时间影响很小，甚至没有影响。除非进一步的分析研究，可以支持启动与安定是同时发生的这类较有利假设，否则分析这些特性的最保守方法，是假设这些情形是一连串发生的。

资料撷取时间取决于所需资料样本的数量、系统处理器读取资料的速度，以及精确资料撷取准备就绪后，处理器可以开始工作的时间。

范例分析

本范例藉由评估一个完全整合型MEMS倾斜感测器，来定义影响准确度和测量时间的参数，进而确认重要的功率与性能关系。以下四个步骤对此过程提供简单准则：

.了解感测器工作原理

MEMS加速度计核心包括感测器元件和介面电路。加速度计讯号通过一个单极点低通滤波器，该滤波器将讯号频宽限制在50Hz。类比至数位转换器以200SPS的取样率运作，并将输出送入数位处理级。数位处理功能包括一个均值滤波器、温度驱动器校正公式、将静态加速度计读数转换成倾斜角的数学函数、使用者介面暂存器，以及一个串列介面。

假设偏移误差为零，每当加速度计的测量轴与重力方向垂直时，其输出将为零。其测量轴与重力方向平行时，将产生+1g或-1g的输出，其极性取决于方向。静态加速度计量测与倾斜角间的关系是一个简单的正弦或正切函数。

.由产品文件获得相关资讯

表1列出影响先进感测器系统电力循环的参数。某些参数可从产品资料手册获得，而其他参数须针对终端系统的性能目标进行分析。PON和T1是资料手册提供的参数，其余参数可用于估计T2和T3。关闭模式的功率值得自线性稳压器的关机电流(ShutdownCurrent)。

估算未明确规定的重要参数

安定时间影响一个感测器系统能够支援的准确度和测量速率。有许多不同的因素都会影响安定时间，但这里着重点在电气因素。估计安定时间需要性能目标、重要假设，以及一个用于分析感测器响应对供电的模型。第一项重要假设是滤波器在初始启动周期(开机时间)之后就安定，虽然这两个周期可以同时进行，但以连续发生的方式着手分析是较为保守的方法。

供电后，加速度计感测器的输出a(t)呈现步阶响应。因为感测器采用单电源供电，其输出很可能会从零开始，并迅速转换至确定其方位的准位。为简单起见，假定零输出对应到最低有效加速度准位。这种情况下，我们采用-2g加速度，以便在最小额定值-1.7g的基础上提供一些容限。同时，最大倾斜范围为+30o，相当于+0.5g。将这两个区间结合，加速度计讯号在启动时可进行的最大转换为+2.5g。

包括数位滤波器的模型需要离散形式的b(t)，以及一个总和模型来模拟滤波器。

安定时间是在规定准确度AE范围内稳定到最终值所需的时间。本例中，误差预算允许0.2o的安定准确度。正弦公式提供一种将此目标转换成加速度衡量指标的简单方法。

使用诸如Excel或MATLAB之类的工具对此公式进行建模是很简单的。如果使用Excel，输出在N=16时的第十八次取样和N=64时的第六十五次取样达到距0.5g约3mg内的水准。将这些数值分别除以取样速率(200SPS)，可针对21ms(N=1)、90ms(N=16)和325ms(N=64)这些设置提供安定时间估计值。假设热安定的相关误差可忽略不计(如果合理的话)。由于所考量的元件提供温度校准回应，所以这一假设应该可以接受。验证此假设为在确认准确度的最终特性过程中，提供不错的机会。

此类系统的资料撷取时间T3，不会超过一个取样周期，因为所有必要的校正和滤波都在元件内部实现。撷取时间只会使总体测量时间增加5ms。

.推算功率与性能的关系

本分析的最后一部分与平均功率消耗及循环时间有关，循环时间实际上等于两个特有测量事件之间的时间量。表2总结重要的电力循环因素，包括感测器资料手册中规定或藉由该简单分析过程产生的因素，以及完全启动(电力循环)和休眠模式恢复(休眠循环)的次数。

在这里休眠循环非常有利。然而，如果将循环时间增加至每分钟取样一次(TC=60s)，电力循环方式的平均功率消耗会是0.2毫瓦(mW)，而休眠循环方式为1.2毫瓦。

休眠模式保留全部初始值，同时关闭系统其余部分。尽管保持这些设定值需要一定功率，但恢复时间要比重新完全启动的时间更快。业界已研发一款倾斜感测器，具有可程式休眠时间和自动唤醒功能，这种解决方案非常适用于那些可发出资料就绪讯号来执行唤醒功能的主处理器，在读取所需资料后，命令感测器再次在另一个固定的周期内重新处于休眠模式。使用休眠模式的另一MEMS产品实例是振动感测器，该感测器收集并储存振动资料后，自动返回休眠模式，然后启动对另一测量事件的倒数计时。这种感测器非常适合须要进行周期性监控的系统，毋须分配处理器资源管理休眠模式和资料收集模式。

这里藉由简单的分析提供部分有用的深度资讯。具体而言，在某些情况下，不管休眠模式需要多少功率，通过休眠模式管理仍然能够实现节能。在上述范例中，须要以1SPS速率进行倾斜测量的系统采用休眠模式，省电能力提高四倍。此处，休眠模式针对最高6s的测量循环时间可实现节能。对于测量循环时间更长的系统，与关机性能相关的功率消耗更低，进而使得平均功率位准更低。

无论是出于经济因素还是环保因素，降低功率消耗的要求都很普遍。降低功率消耗可以减小电源转换器、电池和太阳能电池等电源的尺寸和成本。其他潜在好处还包括降低热和机构设计要求，降低电磁干扰(EMI)辐射，有利于环境影响评等。

对于重视高整合度的感测器产品，但又不得不尽可能降低功率消耗的工程师而言，本文提到的概念和分析方法提供一个很好的起点。更重要的是，因为每种系统设计都存在新的机会与风险，所以确定并分析影响总体功率目标特性的相关思考过程将更加重要。完成初始分析之后，或许一句俄罗斯谚语--“信任，但要验证!”最能说明该如何确保最终成功实现。要追踪重要假设，例如安定准确度(3mg)及热安定因素是否会有影响。如果有合适的硬体，要在尽可能匹配其预期使用条件的情况下测试这些解决方案，因这些假设不仅能让工程师设计出理想产品，并可调整新的假设值，用于之后的电源管理分析。