如何通過數(shù)字電源管理延長物聯(lián)網(wǎng)電池壽命

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，

12C從器件 - 模擬比較器

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(diào)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(diào)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。