在環(huán)境能源的支持下，“零功率”無線傳感器幾乎應(yīng)用于所有細(xì)分市場。但是，工程師必須特別注意管理能源微型采集所需的低功率預(yù)算。通過將超低功耗MCU和RF IC與高效電源轉(zhuǎn)換器件相結(jié)合，工程師可以創(chuàng)建無需更換電池即可在系統(tǒng)組件的有效使用壽命內(nèi)運(yùn)行的無線傳感器。為了設(shè)計(jì)這些高效系統(tǒng)，工程師可以利用來自制造商的超低功耗器件和專用IC，包括Cymbet，Linear Technology，Maxim Integrated Products，Microchip Technology，Silicon Labs和Texas Instruments等。

除了適用于光，熱，振動或射頻能量的傳感器外，零功率無線傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常還包括電源轉(zhuǎn)換和管理單元，微控制器，射頻無線電和應(yīng)用傳感器（圖1）。在操作中，系統(tǒng)將幾微瓦環(huán)境能量的涓流轉(zhuǎn)換成足夠的功率，以允許系統(tǒng)定期喚醒，收集應(yīng)用傳感器數(shù)據(jù)，執(zhí)行所需的傳感器信號處理和數(shù)據(jù)格式化，最后傳輸結(jié)果。

圖1：典型的零功率無線傳感器結(jié)合了能量傳感器，能量處理能力，MCU，RF無線電和應(yīng)用傳感器（由Cymbet提供）。

典型的無線傳感器應(yīng)用需要幾百毫秒或更短的時間來完成傳感器數(shù)據(jù)采集和傳輸事件。對于監(jiān)控實(shí)際流程的大多數(shù)應(yīng)用程序，傳感器事件可能每隔幾分鐘而不是每幾秒鐘發(fā)生一次。因此，無線傳感器表現(xiàn)出一種活動特征，其特征是延長的靜態(tài)狀態(tài)由活動脈沖周期性地中斷（圖2，另見TechZone文章“超低功耗MCU實(shí)現(xiàn)能量收集設(shè)計(jì)”）。

圖2：典型無線傳感器的活動曲線顯示長時間的靜止周期被突發(fā)的活動中斷，具有不同持續(xù)時間的喚醒轉(zhuǎn)換，具體取決于振蕩器類型和設(shè)備要求（德州儀器提供）。

無線傳感器的低占空比工作特性為工程師創(chuàng)建無線傳感器設(shè)計(jì)的高效電源，處理和通信階段帶來了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。功率級必須能夠收集環(huán)境能量源并產(chǎn)生足夠的功率來為下游電路供電。在無線傳感器中，通信要求導(dǎo)致峰值需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出環(huán)境源瞬時可用的峰值需求。因此，功率級必須能夠有效地對諸如Cymbet EnerChip等薄膜電池或Taiyo Yuden LR系列或Eaton PowerStor系列等超級電容器等存儲設(shè)備進(jìn)行涓流充電。在峰值負(fù)載期間，電源管理系統(tǒng)必須能夠切換到存儲的能量以為活動突發(fā)供電，以及與返回到靜止?fàn)顟B(tài)相關(guān)的活動。

為了設(shè)計(jì)合適的功率級，工程師可以選擇專業(yè)的，高度集成的能量采集設(shè)備，如Cymbet CBC915或線性LTC3588，Maxim MAX17710，每個都提供專為能量微型采集應(yīng)用而設(shè)計(jì)的功率轉(zhuǎn)換功能（圖3，另見TechZone文章“用于微型采集設(shè)計(jì)的電源管理IC”。）

圖3：Maxim MAX17710等專用微型采集IC可為無線傳感器中的環(huán)境電源提供現(xiàn)成的解決方案（由Maxim Integrated Products提供）。

這些器件構(gòu)成環(huán)境電源的核心，為無線傳感器系統(tǒng)中的應(yīng)用階段提供轉(zhuǎn)換后的能量。隨著具有集成外設(shè)（包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC））的MCU的廣泛可用性，應(yīng)用電路可以僅包括具有最少額外分立元件的MCU和RF器件。對于工程師來說，挑戰(zhàn)就是通過最大限度地減少浪費(fèi)的功率和最大化處理和通信操作的效率來滿足非常嚴(yán)格的功率預(yù)算。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，制造商為MCU和RF器件配備了多種節(jié)能模式，使工程師能夠精確平衡器件功能與功耗。對于零功耗無線傳感器設(shè)計(jì)，關(guān)鍵性能標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重于在待機(jī)，喚醒和活動模式下最大化功率效率的特性和功能。

待機(jī)模式

通過無線傳感器應(yīng)用中常見的低占空比操作，待機(jī)模式將成為這些系統(tǒng)中的主要運(yùn)行狀態(tài)。甚至在長時間靜止?fàn)顟B(tài)下集成的功耗也可能不會升至單次活動爆發(fā)期間發(fā)現(xiàn)的瞬時水平。然而，待機(jī)模式下的電源效率將在確定系統(tǒng)使用稀缺環(huán)境能量的整體效率方面發(fā)揮重要作用。

待機(jī)功耗主要來自兩個主要因素：設(shè)備的漏電流和支持睡眠模式下系統(tǒng)所需功能所需的最小功率。器件引腳上的泄漏是不可避免的（圖4），但今天的超低功耗器件具有最小的泄漏電流，通常在微安甚至毫微安的每個引腳上顯示出來，并且隨著新一代產(chǎn)品的出現(xiàn)，將繼續(xù)降至新的低點(diǎn)。工藝技術(shù)。圖4：簡化模型說明了代表性輸入引腳的漏電流（由Microchip Technology提供）。

工程師還需要考慮功率預(yù)算中分立元件的泄漏，直接使用指定的泄漏額定值或根據(jù)電容器的絕緣電阻（IR）規(guī)格進(jìn)行計(jì)算：

I = V x C/IR 《 br》其中IR以兆歐或megafarads指定。

工程師可以通過關(guān)閉自己電路中不需要的電路或支持這種選擇性電源狀態(tài)的集成器件來進(jìn)一步降低漏電流。例如，應(yīng)用傳感器和RF級可以分別僅在數(shù)據(jù)獲取和通信的突發(fā)活動的開始和結(jié)束時單獨(dú)加電。如下所述，先進(jìn)的RF電路允許工程師以編程方式禁用RF信號鏈的選定部分，以減少漏電流和總功耗。

在睡眠模式期間，無線傳感器系統(tǒng)必須保持足夠的功能，以根據(jù)編程標(biāo)準(zhǔn)喚醒自身或響應(yīng)外部事件觸發(fā)的中斷。對于典型應(yīng)用，這個最低功能級別可能包括在活動突發(fā)之間保留MCU狀態(tài)和存儲器內(nèi)容，而不是浪費(fèi)功率在突發(fā)周期結(jié)束時將狀態(tài)寫入非易失性存儲器并在下一突發(fā)開始時恢復(fù)狀態(tài)。期。

MCU還需要能夠檢測電源電壓欠壓并采取適當(dāng)?shù)拇胧ò踩祷卮龣C(jī)狀態(tài)甚至自行復(fù)位。例如，Microchip PIC12LF1840T48A集成MCU具有可編程欠壓復(fù)位（BOR）功能，可在發(fā)生欠壓時使MCU復(fù)位（圖5）。如果沒有計(jì)算，掉電可能會導(dǎo)致狀態(tài)損壞，因?yàn)殡娫措妷旱陀诒３諱CU狀態(tài)，寄存器值，程序狀態(tài)和存儲器所需的最小電壓。

圖5：可以對Microchip PIC12LF1840T48A等MCU進(jìn)行編程，以便在電源電壓不足時復(fù)位。這里，當(dāng)電源電壓低于欠壓電壓閾值VBOR時，器件置位復(fù)位，保持復(fù)位直到VDD上升到VBOR加上滯后值（由Microchip Technology提供）。

除了這些最低功能要求外，MCU還需要保留響應(yīng)外部事件中斷的能力，例如溫度，壓力或突然加速的變化?；蛘?，工程師可以設(shè)計(jì)無線系統(tǒng)以定期喚醒并執(zhí)行傳感器測量。對于這種定時輪詢方法，處于待機(jī)模式的MCU必須能夠保持實(shí)時時鐘（RTC）功能和響應(yīng)RTC警報的能力。集成MCU，例如Silicon Labs Si1030x和Texas Instruments MSP430F513x，提供片上RTC并提供低功耗模式，可保持RTC功能和報警喚醒功能。

喚醒

在能量微型采集設(shè)計(jì)中，每微瓦都至關(guān)重要，從待機(jī)模式到主動模式的轉(zhuǎn)換表示電路重新激活到有用的工作模式時會浪費(fèi)功率。喚醒期間所需的功率開始耗盡寶貴的儲存能量，這是與應(yīng)用活動爆發(fā)相關(guān)的峰值負(fù)載所急需的。因此，針對這些系統(tǒng)的MCU和RF設(shè)備應(yīng)具有非?？斓膯訒r間。此外，設(shè)備理想地應(yīng)支持以限定的順序激勵所需的子電路以避免超過瞬時功率預(yù)算的能力，可能導(dǎo)致整個無線傳感器系統(tǒng)的崩潰。這種順序啟動能力在“冷啟動”情況下尤其重要，在這種情況下，新部署了無線傳感器，或者現(xiàn)有系統(tǒng)已長時間從其環(huán)境源切斷。

對于MCU，喚醒時間是一個關(guān)鍵的性能特征。 Silicon Labs Si1030x等MCU可在短至2μs的時間內(nèi)從睡眠模式喚醒至活動模式。德州儀器（TI）MSP430F513x MCU在5μs內(nèi)從低功耗模式喚醒，甚至僅在2 ms內(nèi)從掉電復(fù)位喚醒。 MSP430F513x還提供慢速喚醒功能，可在低功耗模式下提供喚醒序列。

諸如Silicon Labs Si4420之類的RF器件允許工程師有選擇地為RF信號鏈的各個級提供電源。通過設(shè)置或復(fù)位器件電源管理控制寄存器中的位，工程師可以在不同時間激活或停用所需的特定電路塊。

活動模式

睡眠和喚醒模式下的功率效率對于確?？梢岳鄯e足夠的能量來提供活動突發(fā)期間產(chǎn)生的峰值負(fù)載至關(guān)重要。在主動模式下，最小化有功功耗對于確保峰值需求（以及返回靜止?fàn)顟B(tài)）不會超過可用功率（通常來自系統(tǒng)的存儲電源）至關(guān)重要。降低有功功耗的最直接方法之一是使用盡可能低的電源電壓。對于CMOS邏輯門中的動態(tài)功耗，電源電壓是以下等式中的主要因素：

有源模式功率= CxV2xf

其中

C是處理技術(shù)的函數(shù)，

V是電源電壓

f是柵極的開關(guān)頻率。

《 p》 MCU制造商數(shù)據(jù)表通常引用相對于1 MHz的動態(tài)電流。以這些術(shù)語重新調(diào)制，有源模式方程變?yōu)椋?/p>

有源模式功率= V * I

其中動態(tài)電流I = C x V xf

適用于能量微型采集應(yīng)用的低功率MCU具有動態(tài)電流額定值通常低于300 uA/MHz（再次參見TechZone文章“超低功耗MCU實(shí)現(xiàn)能量采集設(shè)計(jì)”）。此類器件通常工作在1.8 V至3.6 V的電源電壓范圍內(nèi)，這是低電壓，微型采集設(shè)計(jì)。

高度集成的器件的使用也有助于消除浪費(fèi)的功率。混合信號片上系統(tǒng)（SoC）器件，如前面提到的Microchip PIC12LF1840T48A，Silicon Labs Si1030x和Texas儀器MSP430F513x結(jié)合了無線傳感器所需的全部功能，在單個器件上集成了RF，MCU，ADC，GPIO，時鐘，穩(wěn)壓器和電源管理單元，從而消除了與片外相關(guān)的延遲和功耗低效訪問。

這些器件通常提供可編程RF輸出功率，以及靈活的工作模式，允許工程師有選擇地禁用各個外設(shè)。例如，在Silicon Labs Si103x集成MCU中，工程師可以設(shè)置片上收發(fā)器的工作模式，以禁用部分RF信號鏈，就像前面提到的獨(dú)立Si4420 RF收發(fā)器芯片一樣。在Si103x中，工程師可以設(shè)置RF模式，禁用部分信號鏈，包括功率放大器，接收器單元，PLL等，在完全操作時將動態(tài)電流從18.5 mA切換到節(jié)省寄存器的待機(jī)模式下的450 nA。當(dāng)然，工程師需要平衡這些節(jié)能與重新激活這些階段所需的額外喚醒時間。

即使使用集成度最高的組件，無線電通信通常也會占無線傳感器系統(tǒng)中不成比例的大部分功耗。工程師可以通過優(yōu)化RF功率和通信協(xié)議來最小化功耗。當(dāng)接收器在物理上靠近時，各個無線傳感器節(jié)點(diǎn)可以在非常低的輸出功率水平下操作。例如，工程師可以使用配備收發(fā)器的SoC（例如Silicon Labs Si1030x和Texas Instruments MSP430F513x）提供的RSSI輸出（圖6）來估算無線網(wǎng)絡(luò)接收器的接近度并相應(yīng)地調(diào)整發(fā)射器輸出功率。

《 p》

圖6：工程師可以使用SoC中可用的RSSI輸出，例如Silicon Labs Si1030x，以優(yōu)化RF功率輸出（由Silicon Labs提供）。

工程師還可以設(shè)計(jì)無線傳感器以適應(yīng)可用的能源資源。如果無線傳感器系統(tǒng)以最小的能量儲備運(yùn)行，它可以設(shè)計(jì)為改變RF輸出功率水平，以與可用的能量儲備成比例地縮放，僅在有足夠的儲備能量以確保完成傳輸和返回時以全輸出功率進(jìn)行傳輸。系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式。

低開銷通信協(xié)議的使用還可以顯著減輕與通信相關(guān)的功率要求。無線傳感器數(shù)據(jù)通信通常在所需通信事務(wù)的類型中受到很好的約束。無需支持很長的事務(wù)類型列表，工程師可以將數(shù)據(jù)包消息包減少到可靠地完成數(shù)據(jù)傳輸所需的最小開銷。

最大化無線傳感器系統(tǒng)效率的機(jī)會擴(kuò)展到軟件架構(gòu)。工程師還可以通過選擇不同的數(shù)據(jù)處理方法來優(yōu)化活動期。例如，使用傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算趨勢的應(yīng)用程序可能容忍接收歷史數(shù)據(jù)的一定量的延遲。在這種情況下，無線傳感器可以喚醒，收集瞬時傳感器數(shù)據(jù)，并立即返回睡眠狀態(tài)。只有在累積了大量數(shù)據(jù)點(diǎn)之后，系統(tǒng)才需要保持足夠長的喚醒時間，以便為相對耗電的RF電路供電并完成數(shù)據(jù)傳輸。