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通过何种方法对一阶能量进行预算

电子设计 2019-01-29 08:15 次阅读

制定确保产品达到目标使用寿命的能源预算可能是一种“黑色艺术”,但有一些相对简单的技术可以帮助工程师实现性能和功耗的正确平衡。本系列的第I部分提供了通常在低功耗无线节点中发现的系统元件的故障,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,该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。接下来是一些微调设计的策略,以延长使用寿命或适应可用电源的限制。

定义您的要求

系统及其能量预算始于对其预期任务,将执行的活动以及所需服务寿命的全面定义(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 - 应该使用哪些模拟和数字输入设计监控器,以及频率如何?哪些输入是按计划采样的,哪些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,是通过有线还是无线链接?

系统通信的频率,以及在此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和应用所需的任何其他LDO,RTC/定时器,I/O或通信电路来开发初步设计。

通过何种方法对一阶能量进行预算

图1:确定嵌入式系统各种工作模式的相对功耗是开发和管理能源预算的重要部分(由Silicon Labs提供)。

作为一个例子,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 ms采样一次。 MCU在其RAM中采集32个采样后,数据将写入外部EEPROM。系统在样本组之间等待50秒,并且需要5毫秒来存储收集的数据。

通过何种方法对一阶能量进行预算

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

定义电源状态

要测量系统的最大动态功耗,请使用示波器监控分流电阻两端的电压(通常为10) -100Ω)与电源串联。可以使用一个简单的程序将系统置于活动状态,该程序可以运行I/O,内存以及在其最活跃的操作阶段将使用的其他外围设备。如果不可用,可以通过将每个元件数据手册中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大负载来确定相对准确的估算值。

了解系统的最大动态如果使用高阻抗电池(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,则电流尤其重要。这是因为如果系统的最大电流过高,将导致电源内的过多损耗。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模块,以使峰值电流保持在电源的限制范围内。

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,所以实际测量可能很困难,但可以从处理器的数据表和任何其他元件(通常是外部RTC,LDO和传感器)中的空闲电流规范中做出有用的估计。系统处于“深度睡眠”模式时,它将保持活动状态。

建立电源配置文件

系统电源配置文件提供了查看所需能量的结构支持每个系统的运行状态(包括睡眠/待机)以及他们在每个州花费的时间。它允许设计人员选择基准电源并将其优化工作集中在系统最大的“能量汇”上。这个相当简单的过程包括列出设计的运行状态/模式,以及功耗和相对持续时间。每种模式。例如,图2中系统的操作模式在下表中表征(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,过程数据,存储数据等)。如果在将来的升级中添加了额外的I/O元件,有线或无线收发器,则可以将其他模式合并到配置文件中。

无论有多少模式,功率配置表都由以下创建:

列出支持每个状态/模式所需的各个系统元素,每个元素的功耗以及在给定时间段内在该状态下花费的相对时间量。如果可以使用工作原型,则可以凭经验推导出功率水平。如果硬件不可用,可以根据组件数据表和系统操作要求进行估算;和

通过将其运行功率乘以在该模式下花费的时间来计算每种状态/模式所消耗的总能量。

通过何种方法对一阶能量进行预算

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

系统电源配置文件的数据可以轻松计算系统的活动模式的平均电流。这是通过计算每种工作模式下消耗的电荷总数来计算的,即(3200 ms x0.8μA)+(0.32 ms x0.8μA)+ 1.28 ms x166.5μA)并将其除以其模式时间的总和( 3206.6 ms),平均电流为2.788μA。系统电源配置文件还清楚地将缩放操作标识为具有1.3 mA峰值电流的模式(图4)。

通过何种方法对一阶能量进行预算

图4:视觉表示应用程序的电源配置文件(由Microchip Technologies提供)。

警告

尽管这项技术很有用,但重要的是要了解它计算应用程序的平均电流,并假设它的清醒活动遵循一个相当可预测的模式,主要取决于其RTC,车载计时器或其他定期发生的事件的提示。如果应用程序的唤醒时间和活动受到非确定性外部激励的严重影响,例如运动传感器,模拟比较器输出或与其他传感器网络元件的交互,则建议根据驱动的使用方案开发电源配置文件系统具有比典型应用程序中预期更多的活动。在大多数情况下,这仍然意味着MCU将在休眠或低功耗待机模式下花费99.9%或更多时间。

还应注意,这种简化方法不会影响“唤醒时间”,指MCU从休眠模式返回时的功耗时间,但其时钟振荡器尚不足以允许执行指令(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,并且可以占有活动周期短的系统中功率预算的相当大一部分。但是,如果系统的唤醒时间超过其活动周期的1/10-1/20,通常只会引起关注。

通过何种方法对一阶能量进行预算

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

能源考虑因素

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性和创新,以便最大限度地提高电源效率(参见TechZone文章“能量收集设计中的最佳电源管理技术”)。

取决于他们希望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使用标准的碱性或锂电池,有多种标准形状因数/容量(图6)。

通过何种方法对一阶能量进行预算

图6:常见电池化学特性

电池实际可供电的实际功率取决于许多因素,包括工作温度和速度它被解雇了。由于低功耗嵌入式系统具有相对较低的电流要求,因此通常可以安全地假设电池的大部分或全部理论容量可用。对于像Energizer 3-315这样的碱性AA电池,这通常为2500-2900 mAh;对于像Energizer 3-3121这样的AAA电池,这通常为1000-1200 mAh。

基于锂的电池具有稍高的容量并且显着更长生命(长达15年)和更广泛的温度范围。锂纽扣电池可提供30 mAh(CR1025)至600 mAh(CR2450),Energizer L92 AAA电池可提供1200 mAh。

平均可用电流(IA)可使用以下公式计算:/p》

IA =(总容量 - 保证金)/总小时数(服务年数x 365x24)

注 - 如果系统在中等温度范围内运行(通常在0到25摄氏度之间) )等式中的保证金系数= 0.对于在较温暖的环境中操作,应根据制造商的数据降低电池的容量。

例如,如果CR2450锂纽扣电池应该提供12年的使用寿命,它可以支持高达630(12x365x24)mA(5.99μA)的平均负载。相比之下,典型的锂AA电池具有15年的保质期,可以支持23.78μA的平均负载。

识别和调整主要功率接收器

您构建的功率配置文件现在可用于识别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,因此通常采用以下策略来启动优化过程:

只要可行,使用休眠/待机模式,可以使用片上硬件执行自动数据采集和存储,而无需唤醒MCU。但是如果数据采集周期很少,它仍然可以节省更多的能量,使系统在读数之间进入完全关断模式。

对于某些处理器,例如Energy Micro的Gecko系列和Silicon Labs C8051F91x在家庭中,值得研究一种待机状态与低功耗睡眠状态之间的权衡。通常,RAM友好睡眠模式消耗的能量低于从冷启动恢复内存所需的能量。

工程师的电源配置文件还应该揭示活动模式的一个或多个方面操作,可以进行功率优化。主动模式能量管理的一些最常见的策略包括:

仔细考虑系统时钟速度对功耗的影响。一般而言,以更快的速度运行MCU可以通过快速执行代码并在休眠/待机模式下花费更多时间来节省能源。

小心,因为如果MCU必须频繁,任何省电都会丢失花时间等待其他系统元素(I/O,A/D转换器,内存等)来完成其任务。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/写周期的延迟可以轻松地使MCU保持比工程师或系统电池所需的更长的时间。

对于这些“长帐杆”操作,寻找其他可以操作的操作并行运行,并且在可能的情况下,使用专用外围设备在CPU占用时执行功能。

由于无线电系统通常比CPU更耗电(通常大约为10到20 mA)对于Tx而言,Rx功能甚至更多,通常最好使用系统链路预算可靠支持的最快数据速率。但是,要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。

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