優化先進傳感器產品的能源使用

高度集成、完全規格的傳感器系統，如ADIS16209傾斜傳感器（見附錄），采用緊湊封裝，價格極具吸引力，使系統開發人員能夠以最小的投資和風險輕松使用采用他們可能缺乏經驗的技術的傳感器。由于精度是在給定的功率水平下完全指定的，因此開發人員降低功耗的能力似乎受到限制。然而，在必須嚴格管理能源使用的應用中，功率循環的使用為降低平均功耗提供了一個機會。本文重點介紹電源循環及其對整體功耗的影響。

我們中的許多人在有慈愛父母的家庭中長大，他們會大喊：“當你離開房間時關燈！我們不擁有電力公司！實際上，他們教給我們一種重要的能量管理技術——功率循環——在不需要時從功能中移除電源的過程，例如在不需要測量時關閉傳感器系統。這樣可以降低平均功耗，由以下公式量化：

P上是系統在正常工作狀態下的功耗。P關閉是系統處于關閉狀態的開銷。與剩余電流相關，例如在電源穩壓器中維持電源開關或關斷模式，通常約為1 μA。準時（T上） 是傳感器系統打開、生成所需測量值和關閉的時間量。關閉時間 （T關閉） 取決于系統需要傳感器測量的頻率。如果關斷功率遠小于導通功率，則平均功耗基本上與占空比成正比。例如，如果關斷功率為零，占空比為10%，則平均功耗為正常工作功率的10%。

傳感器系統審查

傳感器將溫度、加速度或應變等物理現象轉換為電信號。為了正確使用，傳感器元件需要支持功能，例如激勵、信號調理、濾波、偏移和增益調整以及溫度補償。先進的傳感器產品還包括模數轉換，并在單個封裝中提供所有這些功能，提供完整的、經過校準的傳感器到位功能。通過消除用戶開發組件級設計或復雜表征和校正公式的需要，它們能夠以更少的投資實現更快的設計周期。雖然高度集成的傳感器產品減輕了電路級設計決策的負擔，但在考慮電源循環以降低平均功耗時，了解其內部工作原理是有幫助的。

圖1顯示了與完整傳感器系統相關的許多功能。每個傳感器元件都需要一個接口電路，以將元件中的物理變化轉換為標準信號處理組件可用的電信號。例如，電阻應變計 - 在受到應變變化時經歷電阻變化的電阻 - 通常以橋電路（帶激勵）的形式用于將可變電阻轉換為電信號。另一個例子是集成微機電系統（iMEMS）慣性傳感器，例如加速度計和陀螺儀。它們的微小結構響應慣性運動變化，板之間的位移變化，從而導致電節點之間的電容變化?？勺冸娙菰慕涌陔娐吠ǔＪ褂谜{制和解調級的組合來將電容變化轉換為電信號。?

圖1.傳感器系統示例。

緩沖級為模數轉換器（ADC）的輸入級準備信號，可以包括電平轉換、增益、失調校正、緩沖和濾波。一旦傳感器信號被數字化，數字處理功能有助于增加信息的價值。數字濾波h（n）可降低噪聲并專注于目標頻段。例如，機器健康系統可能使用帶通濾波器來關注與常見磨損機制相關的頻率特征。其他需要穩定直流基準電壓源的傳感器可能會更重視低通濾波器。

傳感器精度可能因零件群而異。為了收緊誤差分布并提高測量確定性，傳感器系統通常包括校準過程，該過程在已知激勵和條件下表征每個傳感器，并提供特定于單元的公式，以校正所有預期工作條件下的輸出。最后的處理階段 f（n） 表示特定的處理，例如，用于將加速度計的靜態重力測量值轉換為方向角的三角關系。

電源循環注意事項

在評估傳感器系統中電源循環的有效性時，設計人員必須確保確定獲取有用數據所需的時間。圖2顯示了典型傳感器系統在通電時的響應方式。TM是測量時間和TC是周期時間。測量時間取決于啟動時間，T1、建立時間、T2和數據采集時間 T3.

啟動時間取決于系統處理器及其為支持傳感器數據采樣和信號處理操作而必須運行的初始化例程。使用高度集成的傳感器系統時，啟動時間通常在產品文檔中指定。這種類型的產品有時提供休眠模式，以比關斷模式更高的斷電耗散為代價，提供更快的啟動時間。

建立時間可以包括傳感器、接口電路、濾波器和物理元件的電氣行為，以及熱和機械建立時間。在某些情況下，這些瞬態行為在開啟時間內穩定，因此它們對整體測量時間的影響很小或沒有影響。然而，分析行為的最保守方法是考慮它們以級聯方式發生，除非進一步的分析和研究可以支持同時啟動和建立的更有利的假設。

數據采集時間取決于需要多少數據樣本、系統處理器讀取數據的速度以及準備好采集準確數據后處理器多久可用。

圖2.電源循環期間的傳感器響應。

分析示例

本示例評估完全集成的MEMS傾斜傳感器，以確定影響精度和測量時間的參數，以確定重要的功耗與性能關系。以下四個步驟為此過程提供了簡單的指南：

了解傳感器的工作原理。

從產品文檔中捕獲相關信息。

估計未直接指定的重要參數。

發展權力與績效關系。

1. 操作理解

示例傾斜傳感器系統與圖1中的通用系統非常相似。核心MEMS加速度計包括傳感器元件和接口電路。加速度計信號通過單極點低通濾波器，將信號帶寬限制為50 Hz。模數轉換器以200 SPS的采樣率運行，并將其輸出饋送到數字處理級。數字處理功能包括平均濾波器、溫度驅動器校正公式、用于將靜態加速度計讀數轉換為傾斜角度的數學功能、用戶界面寄存器和串行接口。

當加速度計的測量軸垂直于重力時，假設偏差誤差為零，其輸出將為零。當測量軸平行于重力時，它將產生 +1 g 或 –1 g 的輸出，極性取決于其方向。靜態加速度測量與傾角之間的關系是一個簡單的正弦或切線函數，如圖3所示。此分析側重于水平模式（正弦波）。

圖3.MEMS傾斜傳感器操作。

2. 從產品資料中獲取相關信息

表1概述了影響高級傳感器系統功率循環的參數。其中一些參數可在產品數據表中找到，而其他參數則需要針對終端系統性能目標進行分析。P上和 T1是數據手冊中的參數。其余參數可用于估計 T2和 T3.關斷模式電源來自線性穩壓器的關斷電流。

表 1.傳感器系統操作規范

3. 使用有根據的假設來量化剩余的影響因素

建立時間會影響傳感器系統可以支持的精度和測量速率。許多不同的因素都會影響建立時間，但本分析側重于電氣因素。估計建立時間需要性能目標、一些關鍵假設以及用于分析傳感器對電源應用響應的模型。第一個關鍵假設是濾波器建立發生在初始啟動期（開啟時間）之后。雖然這兩個周期可以同時進行，但級聯分析它們提供了一種更保守的方法作為起點。圖4提供了一個簡化的模型，用于分析傳感器對電源應用的響應。

圖4.用于建立時間分析的電氣模型。

上電后，加速度計傳感器的輸出a（t）表現出階躍響應。由于傳感器采用單電源供電，其輸出可能從零開始，并迅速過渡到確定其方向的水平。為簡單起見，假設零輸出對應于可用的最小加速度級別。在這種情況下，我們使用 –2 g，以便在指定的最小值 –1.7 g 上提供一些裕量。此外，最大傾斜范圍為 +30°，相當于 +0.5 g。結合這兩個間隔，加速度計信號在啟動時將進行的最大轉換為+2.5 g。單極點低通濾波器b（t）的階躍響應由以下公式捕獲：

包含數字濾波器的模型需要離散版本的b（t），以及用于仿真濾波器的求和模型。

建立時間是在指定精度內穩定到其最終值所需的時間，一個E.圖5顯示了兩條瞬態響應曲線，并顯示了每條曲線的建立時間，精度為0.1 g。

圖5.上電瞬態響應。

在本例中，誤差預算允許0.2°的建立精度。正弦公式提供了一種將此目標轉換為加速指標的簡單方法。

使用 Excel 或 MATLAB 等工具對這個公式進行建模非常簡單。使用 Excel 時，輸出在 3 mg 的 0.5 g 以內達到 18千當 N = 16 時采樣，而在 65千N = 64 時的樣本。將這些數字中的每一個除以采樣速率（200 SPS）可得到這些設置的建立時間估計值：N = 21時為1 ms，N = 90時為16 ms，N = 325時為64 ms。假設（如果合理）與熱建立相關的誤差可以忽略不計。由于所考慮的器件提供溫度校準響應，因此這可能是一個可以接受的假設。驗證這一假設為驗證作為最終表征過程的一部分的準確性提供了很好的機會。

數據采集時間，T3，因為這種類型的系統不需要超過一個采樣周期，因為所有必要的校正和過濾都在設備內部處理。在這里，采集時間僅占總測量時間的5 ms。

4. 將功耗與周期時間相關聯

該分析的最后一部分涉及平均功耗和周期時間，實際上等于各個測量事件之間的時間量。表2總結了傳感器數據手冊中指定或通過此簡單分析過程產生的關鍵功率循環因子，包括完全啟動（電源循環）和睡眠模式恢復（睡眠循環）的數字。

表 2.關鍵功率循環參數摘要

以下計算提供了一個快速示例，用于使用這些參數分析和比較需要 1 SPS 測量速率的系統的電源循環和睡眠循環。

電源循環：

睡眠循環：

在這里，睡眠循環是有利的。但是，如果循環時間增加到每分鐘一個樣品（TC= 60 s），功率循環方法的平均功耗為 0.2 mW，睡眠循環方法的平均功耗為 1.2 mW。周期時間和平均功耗之間的有用圖形關系如圖6所示。

圖6.周期時間與平均功耗的關系。

睡眠模式保留所有初始化值，同時關閉系統的其余部分。盡管維護這些設置需要一些電源，但恢復時間比完全啟動時間快。傾斜傳感器ADIS16209提供可編程休眠時間和自動喚醒功能。這種類型的解決方案非常適合主處理器，主處理器還可以在數據就緒信號上喚醒，獲取所需的數據，并命令傳感器在另一個固定時間段內重新進入睡眠狀態。另一個使用睡眠模式的MEMS產品示例是ADIS16223振動傳感器，它收集和存儲振動數據，自動返回睡眠模式，然后開始另一個測量事件的倒計時。這種類型的傳感器適用于需要定期監視的系統，而無需分配處理器資源來管理睡眠和數據收集模式。

這個簡單的分析提供了一些有用的見解。特別是，在某些情況下，盡管睡眠模式需要電源，但睡眠模式管理可以節省能源。在上面的示例中，睡眠模式為需要以 4 SPS 速率進行傾斜測量的系統提供了 1：1 的改進。在這里，休眠模式可為長達 6 s 的測量周期時間提供節能。對于測量周期時間較長的系統，與管理關斷功能相關的較低開銷可實現較低的平均功率水平。

結論

無論是出于經濟還是環境原因，降低功耗的愿望似乎幾乎是普遍的。降低功耗可以減小電源（如電源轉換器、電池和太陽能電池）的尺寸和成本。其他潛在好處包括放寬熱和機械設計要求、降低 EMI 輻射以及更有利的環境影響評級。

本文介紹的概念和分析技術為重視高度集成傳感器產品的工程師提供了一個良好的起點，但也面臨著盡可能降低功耗的壓力。更重要的是，與識別和分析可能影響整體功率目標的行為相關的思維過程將變得更加重要，因為每個系統設計都提供了新的機會和風險。在完成初步分析后，也許俄羅斯諺語“Доверяй，но проверяй”（“信任，但要驗證！”），最好地總結了如何確保最終實施的成功。跟蹤關鍵假設，例如穩定精度（3 mg）以及熱穩定是否會發揮作用。當有合適的硬件可用時，請在盡可能符合其預期用途的條件下測試這些解決方案。最后，測試這些假設將增加信心，并為將來的電源管理技術分析完善新的假設。

附錄

ADIS16209 i Sensor雙軸傾角計（圖A）提供的數字輸出與±180°范圍內平行于地球重力的一個平面（垂直模式）的旋轉成比例，或在±90°范圍內提供與地球重力相切的兩個平面（水平模式）的數字輸出。片內ADC對iMEMS加速度計、內部溫度傳感器、電源和輔助模擬輸入的輸出進行數字化處理，并通過SPI兼容接口提供數據。靈敏度、采樣率、帶寬和報警閾值均可通過數字編程。該器件功能完整，還包括一個輔助 12 位 DAC、精密 2.5V 基準電壓源、數字自檢功能和可編程電源管理。ADIS3采用0.3 V至6.16209 V單電源供電，快速模式下功耗為36 mA，正常模式下功耗為11 mA，休眠模式下功耗為140 μA。該器件采用 16 端子 LGA 封裝，額定溫度范圍為 –40°C 至 +125°C。??

圖 A. ADIS16209 框圖。

ADIS16223 iSensor數字振動傳感器（圖B）將±70 g單軸iMEMS加速度計與靈活的低功耗信號處理器相結合。22kHz 傳感器帶寬和 72.9kSPS 采樣速率非常適合機器健康應用;平均/抽取濾波器優化了低帶寬應用的操作。該設備可以使用自動、手動或事件捕獲數據收集模式從三個軸中的每一個軸捕獲和存儲 1k 個樣本。它還可以測量溫度和電源電壓，捕獲峰值，并提供基于狀態的報警功能。ADIS3采用15.3 V至6.16223 V單電源供電，捕獲模式下功耗為38 mA，睡眠模式下功耗為230 μA。該器件采用 16 端子 LGA 封裝，額定溫度范圍為 –40°C 至 +125°C。

圖 B. ADIS16223 框圖

審核編輯：郭婷