功耗是無線傳感器節(jié)點必須輕松連接到物聯(lián)網(wǎng)的關鍵設計標準。
無線收發(fā)器和微控制器的電源管理是實現(xiàn)最低功耗以實現(xiàn)最長電池壽命的重要部分,但它可能需要復雜的硬件,軟件和分析組合。
Silicon Labs的BGM113是一款完全集成,經(jīng)過認證的藍牙低能耗模塊,它結合了2.4 GHz藍牙片上系統(tǒng),高效陶瓷芯片天線和符合藍牙4.2標準的軟件堆棧。
圖1:BGM113模塊為物聯(lián)網(wǎng)提供低功耗藍牙。
低功耗EFM32 Gecko微控制器技術是結合單個芯片上的超低功耗藍牙智能收發(fā)器。這樣可以實現(xiàn)更有效的數(shù)字電源管理,具有快速喚醒時間,更高的RF靈敏度和外設的透明管理,從而最大限度地降低功耗。完全集成的功率放大器和平衡 - 不平衡轉換器可實現(xiàn)+ 10 dBm的RF靈敏度提升,并為與應用緊密耦合的電源管理提供更多機會。
ARM?Cortex?-M4內(nèi)核支持128至256 kB閃存大小和16至32 kB RAM大小以及通過外圍反射系統(tǒng)(PRS)連接的一系列低能耗外設。這允許它們作為數(shù)字電源管理的一部分從控制器自主操作。
藍牙智能模塊經(jīng)認證可用于所有主要市場,包括北美,歐洲,日本和韓國,并可使用標準3 V紐扣電池或兩節(jié)AAA電池供電。
采用3 V電源的EFM32
內(nèi)存中的實際應用EM0
運行模式EM1
睡眠模式EM2
深度睡眠EM3
停止模式EM4
關閉模式電流消耗下降至63μA/MHz至低至32μA/MHz低至0.9μA低至0.6μA低至20 nA喚醒時間 - 02μs2μs160μs喚醒事件任何32 KHz外設異步IRQ,
電壓比較器復位,
GPIO上升沿/下降沿CPU(Cortex-M3/M0)開 - - - - 提供高頻外設 - - - 提供低頻外設 - - - 可用的異步外設可用 - 全CPU和SRAM保持亮亮亮 - 上電復位/欠壓檢測開亮亮亮開
圖2:EFM32控制器的能量模式。
能量模式
運行32 MHz和3 V時,EFM32控制器在運行實際代碼時僅消耗150μA/MHz,但外圍設備控制器也有幾種低功耗模式。能量管理單元(EMU)進一步管理數(shù)字控制下的系統(tǒng)功率。
六通道PRS鏈接外設并監(jiān)控系統(tǒng)級事件,以便不同外設可以在沒有CPU干預的情況下相互自主通信。 PRS會在喚醒CPU之前監(jiān)視特定事件,從而盡可能長時間地將內(nèi)核保持在節(jié)能待機模式,從而降低系統(tǒng)功耗并延長電池壽命。
EMU管理轉換在設備中的五種能量模式中,控制哪些外圍設備和功能可用以及設備消耗的電流量。
在能量模式0(EM0)下,CPU從閃存或RAM獲取并執(zhí)行指令,并且可以啟用所有低能耗外設。從這里開始,內(nèi)核可以快速進入低能耗模式之一,暫停CPU和閃存。喚醒后,所有低能耗模式在2μs內(nèi)返回EM0并使用180μA/MHz。
在EM1睡眠模式下,CPU的時鐘被禁用,但所有外設,包括閃存和RAM正在運行,PRS從外設收集數(shù)據(jù),使系統(tǒng)能夠長時間保留在EM1中并保持完整數(shù)據(jù)。這使用45μA/MHz。
在EM2深度睡眠模式下,主高頻振蕩器關閉,但32 kHz振蕩器和實時時鐘可用于低能量外設。 EM0的喚醒時間僅為2μs,低泄漏RAM確保完全數(shù)據(jù)保持,功耗為0.9μA。
EM3停止模式禁用低頻振蕩器,但保持低電平 - 漏電RAM供電,以便低功耗模擬比較器或異步外部中斷可以喚醒器件。此模式使用0.6μA。
對于不需要RTC或RAM保留的應用,EM4關閉模式是可用的最深能量模式,喚醒的唯一方法是復位,這僅使用20 nA。
圖3:BGM113模塊中不同外設的可能能量模式。
《 p》 EMU還可用于關閉未使用的RAM模塊的電源,它包含DC-DC穩(wěn)壓器和電壓監(jiān)視器(VMON)的控制寄存器。它監(jiān)控多個電源電壓并具有多個通道,可以在代碼中單獨編程,以確定檢測到的電源是否低于選定的閾值。
電源管理
EMU和集成穩(wěn)壓器從模塊的集成DC-DC降壓穩(wěn)壓器產(chǎn)生內(nèi)部電源電壓,因此只需要一個外部電源電壓。這樣可以對內(nèi)部電壓進行更精細的控制,從而最大限度地降低模塊的功率。
DC-DC轉換器可承受各種負載電流,在能量模式EM0中提供高達90%的效率, EM1,EM2和EM3。注意降低RF噪聲意味著DC-DC轉換器將在不降低無線電組件靈敏度的情況下運行,這是無線收發(fā)器中數(shù)字電源管理的重要組成部分。
有各種保護功能DC-DC轉換器,包括可編程電流限制,短路保護和死區(qū)時間保護,當輸入電壓過低而無法進行有效操作時,它也可能進入旁路模式。在旁路模式下,DC-DC輸入電源通過低電阻開關在內(nèi)部直接連接到其輸出。此旁路模式還具有浪涌電流限制功能,可防止因輸出電流過大而導致輸入電源電壓下降。
時鐘
管理器件的時鐘信號是另一個關鍵因素。數(shù)字電源管理,允許外圍設備進入低功耗模式。時鐘管理單元(CMU)控制BGM113中的振蕩器和時鐘,以及啟用振蕩器的配置。 CMU的靈活性允許軟件通過最小化未使用外設和振蕩器的功耗來優(yōu)化任何特定應用中的能耗。但是,從設備設計開始就考慮到數(shù)字電源管理,可以針對功率控制的不同元件優(yōu)化振蕩器。
因此,芯片上集成了兩個晶體振蕩器和四個RC振蕩器,38.4 MHz高頻晶體振蕩器(HFXO)為MCU和無線電提供精確的時序參考,以及32.768 kHz晶體振蕩器(LFXO)為低能耗模式提供精確的時序參考。
圖4:具有電源管理模塊的Blue Gecko控制器的內(nèi)部結構。
當不需要晶體精度時,MCU系統(tǒng)可以使用集成的高頻RC振蕩器(HFRCO),這采用快速啟動技術,能耗最低,頻率范圍寬,可以保持功率
另一個集成的低頻32.768 kHz RC振蕩器(LFRCO)可用作低能量模式下的定時基準,并提供集成的超低頻1 kHz RC振蕩器(ULFRCO)提供低能耗模式下最低能耗的定時參考。
無線電子系統(tǒng)也是數(shù)字電源管理方案的一部分。 RFSENSE模塊在天線接口檢測到寬帶RF能量時產(chǎn)生系統(tǒng)喚醒中斷,從低能量模式(包括EM2,EM3和EM4)提供真正的RF喚醒功能。
這會觸發(fā)相對較強的RF信號并且可以在最低能量模式下使用,根據(jù)應用代碼和使用的模式,可以實現(xiàn)非常低的能耗。它不會對接收信號進行解調或限定,但軟件可以通過啟用正常的RF接收來響應喚醒事件。
軟件
數(shù)字電源管理也是軟件鏈的一部分。 Simplicity Studio開發(fā)工具的一個關鍵部分是energyAware Profiler,它可以從芯片訪問高級能源監(jiān)控(AEM)數(shù)據(jù)。通過USB端口將開發(fā)套件連接到PC,可以提供有關電流消耗的實時信息。
AEM允許開發(fā)人員在應用程序運行時跟蹤能耗,因此可以在整個模塊中提供實際值而非估算值,以便全面了解能耗。
電流傳感器對流過控制器主電源軌的電流進行采樣,對電流數(shù)據(jù)進行采樣和轉換以及電壓和定時信息。測量200μA以下的電流時,AEM的帶寬為60 Hz,測量200μA以上的電流時,AEM的帶寬為120 Hz。高于200μA,最大誤差為0.1 mA,低于200μA,精度提高至1μA,但傳感器仍可檢測到小至100 nA的電流消耗變化。
這允許通過更改應用程序代碼來優(yōu)化功率。
代碼分析
這是通過energyAware Profiler能量調試工具完成的,該工具從AEM獲取數(shù)據(jù)并使用相關代碼在當前與時間圖表中顯示信息。開發(fā)人員可以放大能量圖的X(時間)和Y(功率)軸,以更精確地分析能耗的細節(jié)。此外,分析器提供能量圖,功能分析器和應用程序代碼之間的直接關聯(lián)。
圖5:能耗分析代碼作為一部分BME113無線模塊的數(shù)字電源管理。
結論
數(shù)字電源管理貫穿整個BM113無線模塊。從控制器核心到外圍設備和無線電收發(fā)器,可以以不同方式關閉所有模塊以優(yōu)化功耗。結合開發(fā)工具中的能量分析代碼分析和模塊本身的實際數(shù)據(jù),開發(fā)人員可以在整個模塊中有效地管理電源,從而最大限度地延長物聯(lián)網(wǎng)應用中的電池壽命。
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