技术解析：超低功耗技术可延长物联网无线传感器使用寿命

导读：
物联网 (IoT) 中一个最大的技术挑战就是传感器节点会出现在任何地方。这些传感器能够在已联网住宅中被用于测量温度和湿度、在实施养护监视中被用于测量高速公路桥梁的机械应力，或是在智能流量计量过程中被用于测量燃气和自来水使用量等参数。这些数据被服务器采集处理后，需要一个广泛的覆盖区域，通过可靠数据从而形成稳健耐用的网络。实现这一过程的技术即是将传感器数据无线传输至一个中央主机系统。

为了实现诸如此类的大型网络，还必须将另外一个关键领域考虑在内，那就是整个传感器节点必须有非常长的运行使用寿命这一特征。使用寿命越长，养护成本越低。借助微控制器的功率优化和诸如LiSOC12主电池的电池类型，这些处理器的供电运行时间可以达到10年或更长的时间。

直到今天，更长距离的传感器数据射频 (RF) 传输还未得到广泛实施。这个无线特性使得系统的功耗考虑更加复杂。虽然无线传感器节点需要消耗尽可能低的平均功率，它还必须能够为偶尔出现的数据传输传送高峰值电流。

从功耗角度来讲，这便意味着传感器系统内的最低静态电流与针对功率放大器的高效高功率能力之间需要相互组合。这也意味着器件、以及整体电源架构本身选型方面的全新挑战。

低静态电流和长使用寿命
为了确保IoT-传感器成为现实，传感器的运行必须具有成本有效性。一旦传感器被安装和启动，它的运行时间需要尽可能的长，以最大限度地减小养护访问周期，并节约成本。

这意味着，一方面，必须选择经久耐用的材料和组件。另一方面，内部电路也必须特有最低静态电流，以便在电池电能一定的情况下获得更长的运行时间。
目前，这些应用使用特定的主电池。诸如LiSOC12的化学电池类型特有超过1Wh/cm³ 的非常高的能量密度，并且人们可在市面上轻易地买到。这些主电池的自放电极低，而这正是需要考虑的另外一个方面。这就使得它们成为延长应用使用寿命的第一选择。

为了从这些参数中受益，电池电流必须被限制在5mA以下。超过了这个值的电流会增加自放电率，从而降低电池的使用寿命。由于内部阻抗，更高的电流也会强制端子电压增加。除了优化电池本身，为了尽可能地减少电流泄露，也必须优化耗能组件和电源架构。

超低功耗微控制器片上系统 (SoC) 器件特有数个低功耗模式，以减少流耗。一个超低功耗SoC延长了应用使用寿命，其原因在于其执行的待机模式，当直接与电池相连时，器件的流耗大约为2µA。图1显示的是这款器件在低功耗模式 (LPM3) 下的电源电流。流耗取决于电源电压（绿色迹线）。

当SoC与一个超低功耗降压转换器组合在一起使用，以减少电源电压时，流耗被进一步减少。这些是静态电流为几百分之毫微安培的降压转换器。蓝色迹线显示的是，把电源电压降压至2.1V后，这个应用汲取的电流。电池电压越高，节省的电能就越多，其原因来自高效的降压转换。在3.6V的典型LiSOC12电池端子电压上，总体流耗比直接电池连接下降了30%。

图1：将微控制器SoC与一个降压升压转换器组合在一起，可以将功耗减少30%

针对无线传输的峰值功率
除了低IQ方面，传感器必须将搜集和处理的数据传至一个基站。例如，可以是一个本地数据集中器，它常用于公寓楼内的智能燃气传感器。除了无线仪表计量总线（无线M-Bus），这也可以是用于高速桥梁上现场传感器节点的全球移动通信系统 (GSM) 基础设施。

一个典型的工作模式就是全天搜集和处理数据，然后将采集到的数据在一天之内最多传输数次。从功率角度来讲，这表示，大多情况都需要维持在数微安范围内的低平均流耗，偶尔则需要对仅出现数毫秒的更高电流做出相应支持。因此，数据传输所需要的能量数量取决于范围和射频协议。广泛使用的标准是无线M-Bus和GSM。

表1中显示的是三种常见标准之间的比较。每个标准具有一个典型的无线电放大器功率条件，以及传输持续时间内所需要的电流。

在某些情况下，无线电放大器需要的电流高达2.5A。上面描述的电池类型无法传送这样的电流量。为了不降低LiSOC12锂一次型电池的使用寿命，甚至应该避免5mA以上的电流。

能量缓冲概念
为了实现所述的脉冲负载运行，需要考虑全新的电源管理概念。由于电池不能传送所需的电流，在无线电未激活时，要将所需的能量储存起来，使其可以在无线电被激活时使用。为了实现这一点，需要设计一个全新的电源概念来缓冲能量，并且将负载峰值从电池上去耦合。可用于能量缓冲的比较好的介质是储能电容器，因为它们能量密度高和电容值大。

当使用一个开关模式电源 (SMPS) 时，一个电容器可以用与电池不同的电压进行高效充电。这可以在限流运行中完成，然后定义电池的负载电流。

一旦能量被存储在电容器中，电压会被转换为所需要的值，例如用于微控制器SoC的1.9V，或者针对无线电功率放大器的3.7V。这个转换过程从缓冲电容器中获得电能，并且将负载从电池上断开（图2）。

图2：电容器储能概念

当使用一个SMPS缓冲电源架构时，能量存储采用2个基本概念：
1.升压-储能-降压
2.降压-储能-升压

在概念1中，将电池电压升至较高电压，并为电容器充电。然后，电压被下降到SoC或放大器所需要的值。

这个概念会使用更小的电容器值，其原因在于，存储的能量与电容器电压的平方成正比。这个电压的值越高，同一电容器中存储的能量就越多。一旦电能被存储在电容器中，电压就被下降到所需的值。传输所需的能量提取自电容器，并因此从电池上断开。

第二个架构使用一个直接接至电池的降压转换器。电压被下降，以便为电容器充电。在这里，因为电压较低，储能电容值必须较高。然而，这样的话就可以使用电气双层电容器 (EDLC)，此类电容器具有数法拉第的大容量，并且可以轻松购得。在储能电容器之后，电压被升压至所要求的值（图3）。

图3：包括“降压-储能-升压”缓冲的无线传感器节点电源机制

除了可用的电容值较高，这个机制特有3个优势：
o该机制具有较低的储能电容器电压。与一个用更高电压进行充电的电容器相比，这个机制需要考虑的安全注意事项较少。
o这个已经被下降的电压可被用来直接为SoC微控制器供电。这样的话，只用一个始终处于激活状态的SMPS，可以减少总体流蚝。
o较低的电压可以使EDLC类型电容器的使用成为可能。这些电容器可以提供高电容值。

当在一个无线传感器中使用一个降压-储能-升压概念时（图3），EDLC的最低电压由SoC电源电压的最小需求量定义。然后，通过在无线电传输之前，将电容器充电至其2.7V的最大电压，这个能量就被缓冲起来。这样就把平均电源电压保持在大约1.9V的最小值。在无线电传输期间，EDLC被放电至所定义的最小电压。

要求最低静态电流器件同时具有高功率是对电源架构的一个挑战。通过将所需能量存储在一个EDLC中，使用“降压-储能-升压”的能量缓冲概念可以解决负载峰值去耦合的问题。由于微控制器的电源电压较低，它还可以实现更低的总体功耗。由于储能电容器使用一个较低电压，所以安全问题和顾虑更少。这个概念可以将储能电容器中缓冲的能量与更低的总体流耗组合起来，以实现更长的应用运行时间。