借力感測器節能設計　可攜式裝置延長電池使用壽命

電池尺寸影響可攜式產品功耗

電池供電可攜式產品的功耗與功能內容和電池大小有直接關係。舉例來說，表1展示了基於最新測試的四款流行智慧手機的電池壽命、電池尺寸，以及平均電流消耗(功耗)之間的關係。電流消耗嚴格來說是基於Iave=電池大小/電池壽命計算得出。增加電池大小或採用低電流消耗元件和低電流策略，或將這兩種方法相結合都能夠延長電池壽命。

表1 四款智慧手機的電池壽命、電池大小與電流消耗比較

值得注意的是，配有最大電池的智慧手機即使具有較大的功能集，電流消耗也不是最高，而電池壽命最長。相反，配有最小電池的智慧手機電池壽命最短，電流消耗也最低。

一種借助感測器實現的節電技術，是根據使用者不活動狀態將智慧手機置於極低功耗模式下。加速度感測器通過運動感測檢測到不活動的用戶，該加速度感測器還提供螢幕旋轉功能。

關閉/極低功耗操作模式　實現感測器最低功耗

除了系統節電功能外，感測器的設計還有助於降低感測器和系統級的功耗。

實現低功耗的第一種方法，也可能是最直接的方法，就是針對感測器本身。感測器可擁有一個或多個低功耗狀態，例如關閉模式和極低功耗操作模式。在許多情況下，這種感測器操作直接由系統設計人員在最終應用中進行控制。因此，它能夠提供許多功耗方面的優勢。

這種設計方法的一個範例是超低功耗傾斜感測器。如圖1所示，MMA8491Q加速度感測器在OFF模式下以完全關閉狀態啟動(VDD=0)。每當須要進行測量時，該感測器將重新上電。進行讀取操作時，該感測器可每分鐘關閉1毫秒，幾乎不消耗任何功率。MMA8491Q功耗極低，低速率資料傳輸時的電流消耗可降至400nA/Hz。為最大限度地減少讀數時感測器的執行時間，它具有700μs的超快速資料輸出時間。

圖1 借助功耗極低的感測器設計工作模式，系統設計人員能夠實現特定的設計目標。

這種設計方法的優勢，在擁有極低工作週期比要求和較長樣本間時間的環境中非常明顯。該方案適用的應用包括工業和供應鏈監控，在這些應用中感測器只需要在產品移動時才通電，當產品在倉庫裡時則不必通電。

智慧感測達成低功耗效能

實現低功耗的第二種方法，是在感測器設計中整合數位邏輯。添加的數位功能通常被稱為「智慧感測」，可用於支援感測器執行其自身的內部電源管理。這種方法已經用於加速度感測器、壓力感測器和磁力計中。

帶有整合式數位邏輯的加速度感測器，可執行自己的內部電源管理，並且可根據需要對資料進行採樣。簡單地搖晃一下設備便能使其通電或斷電，除此以外，該感測器還能執行更加複雜的任務，例如按兩下或旋轉晃動，按旋轉方向發起命令，這樣感測器能夠發起一系列有用的功能。

這種低功耗感測方法主要應用於須要縱向/橫向檢測的終端產品，如手機或平板電腦。具有該功能的加速度感測器可提供所需的功能和先進的電源管理，實現最低功耗。

一個範例是MMA865xFC加速度感測器，它在最低功耗模式下僅消耗6μA，如圖2所示。在這種情況下，感測器自身只消耗其設計規定的功率。該感測器的嵌入式邏輯可檢測事件，並利用I2C介面通過中斷線通知外部微處理器(MPU)。

圖2 MMA865xFC加速度感測器的四種工作模式

第一種低功耗方法在最低功耗狀態下無功耗，而此感測器則不同，它具有6μA的基線功耗，因此能夠自動為自己通電。擁有更多內置智慧的設備的使用頻率更高，最終能夠提高效率。

降低功耗的整合技術的另一個範例，是加速度感測器的智慧先進先出(FIFO)緩衝器。8位元或12位元可配置32採樣FIFO支援資料緩衝，讓主機系統能夠為感測器通電，並以更低的速率讀取資料。因此，設備能夠在更長的時間內保持更低的功耗狀態，從而降低其自身的功耗，還能減少主機系統的工作週期操作，主機系統的功耗是加速度感測器功耗的數百倍甚至數千倍。

如果將主機系統的通電時間減少僅僅0.5%，那麼即使加速度感測器消耗更多的電力，系統耗電也會降低。系統級優勢所帶來的好處遠超過了感測器功耗略高這一缺點。

低功耗智慧感測方法還用在壓力感測器設計中。以飛思卡爾MPL3115A2壓力感測器為例，它擁有超低功耗和豐富的智慧功能，無需外部資料處理，因為該感測器能夠將資料轉換成MCU所需的格式。在本地處理感測器資料可減少與主機處理器的通訊，最大限度地減少MCU的使用。

該感測器在其最高速率模式(過採樣=1)下僅消耗8μA，有兩個中斷，適用於自動喚醒、最小/最大臨界值檢測及自主資料獲取。除執行內部計算外，該壓力感測器還具有可程式設計輸出速率、FIFO緩衝器，以及與MMA865xFC加速度感測器類似的低功耗內部設置。這些功能對於行動設備、醫療和安全應用非常有用。

最能體現智慧感測器最大限度降低功耗的一個例子就是磁力計。針對電子羅盤應用的MAG3110磁力計有一個I2C序列介面，能夠測量高達10高斯的局部磁場，輸出資料速率(ODR)高達80Hz。

這些輸出資料速率對應於從12毫秒(ms)到數秒的採樣間隔。在待機和活躍工作模式下均可進行I2C通訊。在待機模式下，典型的電流消耗僅為2μA。80Hz最大ODR時的功耗通常為900μA，但在1.25Hz ODR時功耗可降低至17.2μA，在sub 1Hz ODR時功耗甚至能低達8.6μA。

借助整合的訊號處理和控制功能，磁力計可分流外部MCU的計算，並最大限度地減少通訊，從而進一步降低系統功耗。

MCU本地計算功能節省系統級功耗

在第三種低功耗感測設計方法中，感測器利用MCU的本地計算功能。在同樣的封裝內可獲得該功能，或者整合這兩個元件的聯合/系統級操作也可獲得該功能。

該系統級方法被稱為「本地計算功能」，可分流系統應用處理器基於感測器的(及其他)計算，其效果甚至超過了第二種低功耗方法。舉例來說，對於使用100至1,000倍功率的主機系統來說，能夠執行所需計算(並允許另一個處理器進入低功耗模式)的本地MCU可在系統級大大節省電力，因此添加更小的MCU是合理的。

上述第二種情況為基本功能提供中斷能力，例如縱向/橫向轉變、FIFO緩衝器或類似功能，而最後一種情況則與之不同，所有的計算均可在內部執行，提供感測器集線器的全部功能。

這種設計方法可實現非常複雜的過濾系統，例如卡爾曼濾波器，在這種過濾系統中，主機處理器通常需要強大的計算能力和功耗。案例包括飛思卡爾MMA9550L感測平台，以及同系列的其他平台。除整合的MCU外，感測軟體還能提供其他功能，以降低功耗(注：對於卡爾曼濾波，MMA9550L資源不足)。

典型的應用或案例是計步器，它必須始終處於開啟狀態，才能獲得所需的資料量以連續計算步數、距離和其他值。將這種功能整合到手機中會大大縮減電池壽命，因為手機必須總是開著。相反，在電話中，本地計算方法的功耗遠遠小於主計算系統的功耗。這使計步器成為一種可行的應用，電池壽命也不再是限制因素。使用手機內的整合加速度感測器來計量步數的免費或低成本下載應用，會縮短手機的電池壽命。

而手機使用整合感測器集線器來提供相同的功能，則可以在手機的主處理器和顯示幕都處於關閉狀態時也能提供計步器功能。內部時鐘被禁用時，MMA9550L在STOPNC模式下只消耗2μA。表2展示了這種及其他兩種工作模式的電流消耗。

表2 MMA955xL加速度感測器在三種工作模式下的電源電流特性

胎壓監測系統(TPMS)，例如FXTH87，是第三種情況的壓力感測器範例。借助整合的壓力感測器、MCU以及加速度感測器和射頻(RF)發射器，可在本地執行計算，最大限度地減少與主系統的通訊，也能儘量減少由主系統執行的計算，從而節省電力。

使用最少的電力無線傳輸資料，才能使感測節點不必增加電池尺寸(從而也不增加總系統成本)便可獲得足夠的電池使用壽命。表3、4和表5顯示了測量和射頻傳輸過程中不同模式下MCU的功耗影響。

表3 TPMS的MCU功耗

表4 TPMS的功耗測量

表5 TPMS射頻傳輸的功耗(在315MHz載頻上)

在Stop1模式下的典型最低功耗為0.36μA，在射頻傳輸過程中最大功耗為9.5毫安培(mA)，這些表格表明，在TPMS中應儘量少用高功耗模式才能使各輪胎上安裝的感測器獲得最長的電池使用壽命。根據數位控制水準，這三種低功耗管理策略為用戶提供了一些替代方案，以最大限度地降低功耗並優化電池使用壽命。

表6展示利用各個產品資料表的加速度感測器、壓力感測器和磁力計的值，對各種技術進行的比較。當感測器測量須要進行更加複雜的計算時，方法2和方法3實現的主處理器分流可大大節省系統級功耗。

表6 三種節電方法比較

善用開發工具　落實低功耗設計

除了減少使用者的開發工作以及降低系統功耗外，以飛思卡爾開發套件為例，該套件還展示了如何充分利用該公司開發的軟體。它們讓用戶能夠更輕鬆地開發自己的代碼，為特定應用實現最低的功耗。

實現最低感測器功耗

對於這種由客戶實現和管理的功耗技術，有多種工具(以及資料表、應用說明等)可幫助獲得低功耗。具體的參考設計包括：
．電子篡改檢測智慧電表參考設計
．Kinetis KM3x MCU單相計量參考設計
．Kinetis KM3x MCU兩相計量參考設計

所有參考設計都使用MMA8491Q傾斜感測器。DEMOMMA8491獨立演示是易於使用的工具，它包含兩個板，其中分線板有採樣裝置，演示板可定位於傾斜檢測。DEMOMMA8491加速度感測器評估套件應用說明(AN4292)介紹了如何使用此套件。LFSTBEB8491感測器工具箱加速度感測器開發板包含MMA8491Q加速度感測器子卡板。LFSTBEB8491快速入門指南為該工具提供了其他支援。

感測器整合數位邏輯

MMA865xFC感測器工具箱使用者指南(針對MMA865xFC感測器工具箱加速度感測器套件)為使用者提供了硬體和軟體來演示和評估MMA865xFC加速度感測器。

LFSTBEB865X感測器工具箱(針對MMA865xFC加速度感測器)包含MMA8652FC和MMA8653FC加速度感測器子板卡和感測器介面板。DEMOSTBMPL3115A2感測器工具箱MPL3115A2開發套件包含USB通訊板、介面板和針對MPL3115A2壓力感測器的壓力感測器評估板。廣泛的設計支持工具範例如圖3所示。

圖3 DEMOSTBMPL3115A2感測器工具箱套件中的USB通訊板、介面板和壓力感測器評估板

LFSTBEB3110開發套件讓用戶能夠開發加速度感測器和MAG3110磁力計設計。RD4247MAG3110是一個完整的套件，包含三個印刷電路板(PCB)，MAG3110磁力計和MMA8451加速度感測器子板卡、感測器介面板和用於運行Freescale Sensor Toolbox PC軟體的LFSTBUSB通訊板。

感測器整合MCU

針對智慧感測平台的KITMMA955xLEVM感測器工具箱是一個完整的套件(包括軟體)，無需其他電路板或元件。針對MMA955xL元件的KITMMA9550LEVM和KITMMA9551LEVM評估套件展示了常見加速度感測器案例，並支援訪問設備特有的功能。

MMA9550L和MMA9551L感測器工具箱使用者指南介紹了如何使用該評估套件。FXTH87設計參考手冊提供完整的資訊，包括FXTH87 TPMS解決方案的固件功能範例和應用原始程式碼。RDFXWIN8USB是針對Windows 8的12軸感測器參考平台，能夠大大簡化本地計算功能的實現，還能降低應用的功耗，如用於運動控制的感測器融合。

由本文可知，為了滿足廣泛客戶的不同案例要求，感測器業者已經創建了三種低功耗感測方法。借助這三種不同的方法，工程師能夠以不同的方式思考低功耗運行，便捷地實現自己的系統設計目標。

(本文作者任職於飛思卡爾半導體)