伴随您的一生：长期工作的超低功耗系统之设计

 

通过降低占空度及减小处理器、软件与模拟接口的功率需求，系统就可达到1mA量级的平均电流消耗。
　　要点
　　超低功耗设备必须能在无需更换电池或给电池充电的条件下工作；
　　低占空度是关键，系统应将其99%以上的时间花在“休眠”模式上；
　　系统并非总是局限于一个“低功耗”处理器上；
　　有几种设计方法可减少传感器接口功耗。
　　便携式消费电子设备的需求最近一直在推动电子系统低功耗设计技术的发展。这些设备一般采用轻便电池作为电源，且为了能装入口袋或公文包中，对设备的尺寸也提出了相应的限制。尽管这些功率限制要比采用墙式插座电源的系统更为严格，但功率仍比较富裕。毕竟，用户可以每天晚上对其iPod MP3播放机或手机进行充电。
　　那要怎样用户才能永远不需要对其系统的电池进行充电（或更换）呢？这正是那些应用在偏僻场合的系统的设计者所面临的一个问题（在那里不可能对电池进行充电）。无线传感器网络（常常称为智能传感器或“灰尘”网络）就是这样一种应用，即每一独立节点的平均电流消耗约为1mA。
　　此外，其它少数几种消费应用也面临同样严格的功率限制，其中一个例子便是常见的家用自动调温器（或恒温器）。如果将恒温器设计成需用户来自己更换电池，则不仅会增加用户使用手册的复杂性，同时也会增加花在设备坚固性及接入/接出口上的费用，因此家用恒温器通常都是密封装置。德州仪器公司 (TI) MSP430产品营销经理Juan Alvarez对恒温器能量预算的直接计算解释说：“小型锂离子电池容量大约为220 mAh，如果你能达到2.5mA的平均系统电流消耗，则电池大约能用10年。”而10年后，用户就该更换恒温器而不是更换电池了。
　　能以1mA量级平均电流消耗工作的系统的主要特点是占空度低。这种系统有99%以上的时间处于休眠模式中，而只偶尔苏醒过来轮询传感器、处理和发送传感器数据，然后再重新进入休眠模式。在设计这种低占空度及超低功耗系统时，设计者在以下两个具有截然不同特点的方面可节省能量，即数字通信和处理，以及传感放大器和接口电路。
　　在无线传感器网络中，通信占去了大部分功率预算。开发商为功率相对有限的系统设计了最流行的无线协议。例如，像802.11无线协议，以其待机侦听模式，就不适合低占空度网络。无线传感器网络设计商Millennial Net公司首席技术官  Sokwoo Rhee认为，该公司虽考虑了Zigbee等其它无线网络协议，但发现这些协议需要的功率太多，因此Millennial Net公司转而开发自己的专用无线传感器网络通信协议。Rhee说，“我们必须减少来回发送的控制数据包的数量，以跟上网络拓扑的发展。无线传感器网络需要减少开销并能真正有效地发现和再发现网络。其实这就是在节省功率，因为你无需为所有这些（低效网络）开销来使用微控制器。”
　　因此值得我们去创建一种新协议，因为所产生的连锁反应不仅限于可节省微控制器的时间与值机功率。据Rhee称，该公司试图使所需的代码覆盖范围最小。而像Zigbee协议的代码覆盖范围则是Millennial Net公司专用协议的两倍以上。该定制协议适合于小型存储器空间，因此它能使用更小的微处理器，从而消耗更少的功率，并使公司能实现其节省功率的目标。Millennial Net公司选择了Microchip公司的PIC16/8LF控制器芯片以实现其高的功率效率。未来低占空度及超低功耗设计中的处理器可能会利用低阀值设计技术的优势（参见附文：“亚阀值设计保持了低功耗承诺”）。