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■ Silicon Labs公司單片機市場總監 Keith Odland 對于需要RF連接的嵌入式控制系統來說，電子水表和燃氣表可以作為最具挑戰性低功耗設計的典型代表。這些系統的特點是電池供電（例如：燃氣表和水表安裝點一般不提供墻電），并要求電池使用壽命為20年以上。公共事業供應商提出這個要求，是因為僅一次專家維護的成本就超過智能儀表的全部成本。由于有超長壽命的設計要求，幾乎所有水表和燃氣表都使用鋰亞硫酰氯（LiSOCl2）化學電池，因為其非常低的自放電特性，在儀表中的使用壽命可達20年以上。然而，這種電池價格昂貴（約1.5美元/安時），導致單個水表或燃氣表中電池BOM成本高達10~15美元。 許多智能儀表供應商決定通過擴展產品的通信覆蓋范圍使其產品脫穎而出。在他們的系統網絡拓撲結構中，一定數量的儀表通過sub-GHz網絡發送使用和計費信息到安裝在電線桿上的中繼器，中繼器收集匯總信息并通過蜂窩網絡或其他回傳通道發送到公共事業服務商。中繼器可以支持大約1000個儀表節點。然而，中繼器成本往往是單個儀表節點成本的10~100倍。儀表供應商通常要面對來自其客戶的壓力，要求降低網絡中中繼器的數量，解決這一問題最現實的方法是提高發射器（TX）鏈路的穩固性。 改進TX鏈路預算的方法有許多。一種最顯而易見的解決方案是使用功率放大器（PA）增大發射器輸出功率。然而就電池使用壽命而言，這種方法的成本也最高。另一種解決方案是增強協議，盡量減少信息錯誤和隨之而來的重傳次數。雖然這種技術比簡單增加PA的方法更加節省功耗，但仍然比當前功率預算增加大約40%。 假設重新設計的智能儀表有以下三個設計要求： • 40%以上的功率預算分配給TX功能，以增加覆蓋范圍 • 維持現有LiSOCl2電池大小（A）和容量（3650mA-hr） • 維持現有的電池使用壽命20年 策略很明確，在TX預算范圍內增加功耗，但不增加整體功耗預算，這就意味著必須降低其他功能區功耗，例如：RX、工作模式和休眠模式預算。圖1顯示原始功耗預算和重新設計后的目標預算。 
圖1 智能儀表應用功耗預算對比 更高電壓轉換效率 為了增加CMOS電路性能并降低其功耗，芯片設計人員通常采用最小尺寸并且實用的裝置來構建集成電路。一般情況下，嵌入式處理器和RF收發器采用0.18µm、0.13µm甚至90nm工藝設計。降低裝置功率消耗的一個關鍵指標是降低內部工作電壓，從而降低CVf開關損耗。
即使電池供電裝置支持3.6V供電電壓，裝置通常也可以在很低的內部電壓下工作。 市場上幾乎所有裝置內部都集成片上低壓差線性穩壓器（LDO），當輸入電壓為3.6V時，調節輸出一個很低的片內電壓，通常為1.8V或更低。換句話說，一個輸入電壓為3.6V的線性穩壓器輸出電壓為1.8V，將產生50%轉換效率。顯然，隨著輸出電壓的下降，這種效率將變得更差。 更先進的嵌入式控制器，例如圖2中C8051F960 MCU，集成了比LDO控制器效率更高的開關型穩壓器。大多數情況下，此裝置開關效率可高達85%，可以降低來自電池的總體電流并延長電池壽命。
圖2 傳統MCU和先進MCU的開關效率對比 采用這種方法，可以大大降低當前RX功率預算。
也就是說，無線電接收器所消耗的電池電流大約是使用DC-DC降壓轉換器（而不僅僅是LDO）的62.5%。采用這種方法的實際結果是降低了RX電流功耗預算。 隨著這一改變的實現，我們已經接近滿足新RX功耗預算要求（例如圖3所示：從30%降至19%，盡管目標是降至18%）。接下來，我們有必要繼續優化系統中的其他運行模式。
圖3 DC-DC開關轉換器改善RX功率預算 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鍵。幾年前，通過使用32.768 kHz的晶體在3.6V電壓下驅動低功耗喚醒時鐘，最佳裝置可低至大約1µA電流消耗。隨著進一步優化和改進，如今在同樣電壓下裝置在使用相同功能時僅需大約700nA。雖然凈節約僅300nA，但實際上該節約完全有效，可以從功率預算中直接減去此數值。 采用低功耗休眠模式裝置，可以將休眠模式預算從之前的8%降低到5%（如圖4所示），即可達到設計目標。然而，這僅僅是達到目標，還沒有超過目標，仍需要做進一步改善以實現整體設計目標。最后的一個重點是如何降低工作模式的功耗。
圖4 休眠模式改進對休眠模式功耗預算的影響 降低工作模式功耗 在儀表應用中區分主要的功耗任務很重要。在本文所列舉的燃氣表或水表例子中，有兩個主要任務： • 為了計算流量，需要每秒鐘檢查簧片開關狀態20次。 • 每15秒鐘創建一個無線數據包，并將這些數據傳輸到無線發射器進行廣播。 在許多計量儀表應用中，都有一個被稱作寄存器編碼器的裝置用于記錄燃氣或水的流量。在計量系統中，表現為一系列開關事件或脈沖。傳統計量系統中，CPU必須喚醒并對I/O引腳的開關狀態進行采樣。如果開關是物理簧片開關，需要額外CPU帶寬來反跳開關并控制上拉電阻器，從而確保脈沖有效性并通過閉合開關來盡量降低漏電電流。軟件中執行該功能，即使在最優化的系統中也需要消耗超過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，這種技術有很多優點。首先，開關次數可以累計到硬件寄存器上，幾乎不需要CPU干預。此外，諸如開關反跳、上拉電阻器管理和自動校準的功能，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500 Hz，專用低功耗輸入捕獲定時器所消耗的電流也僅為400nA，相對于采用軟件執行該功能的方法來說是一個顯著進步。 當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（而非CPU）來移動數據都可以節省功耗。 當為RF傳輸準備信息包時，數據需要多次編輯。例如，假設需要從儀表傳輸20個字節信息載荷到集中器。最初，這20個字節駐留在SRAM中；然而，該數據有可能包含客戶私有信息，必須對數據進行加密；隨后，循環冗余碼檢驗（CRC）計算并將其附在加密信息后面；最后，在通過串行外設接口（SPI）傳送到無線收發器前，整個信息將進行編碼（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。然而，采用專用硬件執行任務會使系統效率更高，例如圖5所示專用數據包處理引擎（DPPE）。
圖5 采用DPPE硬件模塊的處理時間和功耗節省 使用DPPE不僅能減少執行功能所需的時間，還能夠降低這段時間內所消耗的電流，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90%。當完成以上改進后，我們可以超額完成工作模式下的節能目標，所需功耗只占總體預算6%，如圖6所示。
圖6 利用DPPE降低智能儀表功耗結果 采用上述三種技術后，我們能夠成功將TX功耗預算的比重提高到70%，這完全是從RX模式、休眠模式和工作模式中節約功率的結果。換句話說，我們可以達到增加TX可靠性的整體設計目標，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用中如何通過重新分配整體預算實現節能要求。然而，節能也可通過許多其他方式體現其價值。一個顯而易見的例子是能夠使用更小、更低成本電池。另一個好處是可以在相同電池條件下延長電池壽命。還有一個潛在的好處是更大設計余量和減小保修負擔。設想這樣的場景：儀表制造商每年生產數百萬臺儀表，每臺儀表保修服務期限為20年。如果儀表因為過度功耗導致在使用15年后失效，制造商可能要對數千萬臺儀表負擔潛在的保修責任。因此，額外的設計余量讓工程師和投資者都感到放心。 |
