Стратегии продления срока службы батареи в портативных устройствах с маломощными устройствами

Подробные стратегии продления срока службы батареи

1. Оптимизируйте показатели выборки

Скорость отбора проб является единственным наиболее контролируемым фактором в потреблении мощности ADC. В SAR ADC мощность масштабируется почти линейно с частотой отбора проб. Теорема Nyquist гласит, что необходимо отбирать по крайней мере в два раза наиболее интересующий компонент частоты. На практике переборка с коэффициентом 2-4 может облегчить требования к сглаживающему фильтру, но чрезмерная переборка расходует энергию. Анализировать пропускную способность сигнала и установить ADC на самую низкую жизнеспособную частоту выборки.

Для данных с разрывными датчиками (например, показания акселерометра, вызванные движением) рассмотрим выборку, управляемую событиями. Вместо фиксированной периодической скорости образец может быть пересечен только при пересечении порога. Это может снизить среднюю скорость выборки на порядок.

Совет: Используйте таймер микроконтроллера для планирования конверсий ADC только при необходимости и отключите часы ADC между конверсиями.

2. Используйте режимы Power-Down

Большинство маломощных АЦП включают несколько режимов простоя: резервный (быстрое пробуждение, умеренная утечка), сон (более низкая утечка, более медленное пробуждение) и глубокий сон (минимальная утечка, самое длительное время пробуждения). Активировать самый глубокий режим сна, когда АЦП не требуется более нескольких миллисекунд. Например, в носимом мониторе сердечного ритма, который измеряет 100 мс каждые 10 секунд, АЦП может проводить 99% времени в глубоком сне, снижая среднюю мощность на два порядка.

Рассмотрим время пробуждения: если оно превышает требуемую задержку ответа, может потребоваться более быстрый режим простоя. И наоборот, если устройство редко проводит опрос датчиков (например, один раз в минуту), идеальный глубокий сон.

3. Велосипеды для выполнения обязанностей

Дежурный велоспорт — это практика питания АЦП и его аналогового фронтенда только на время конвертации, затем их отключения. Этот метод особенно эффективен в сочетании с режимами отключения питания. Соотношение рабочего цикла (активное время/период) напрямую определяет среднюю мощность.

Пример: Образец датчика температуры может принимать 10 мкс для преобразования с SAR ADC. Если измерять каждые 1 секунду, рабочий цикл составляет 0,001%. Даже если ADC потребляет 1 мА во время преобразования, средний ток составляет всего 1 мкА. Однако, для учета переходных процессов запуска - некоторые ADC требуют времени оседания после включения питания. Используйте аппаратное или программное обеспечение для задержки преобразования до стабилизации подачи и ссылок.

Наилучшая практика: Выключите опорное напряжение и буферные усилители ADC вместе с ядром ADC. Многие современные ADC интегрируют все эти функции с выделенными выводными штифтами.

4.Выберите соответствующую архитектуру ADC

Как обсуждалось, SAR ADC обычно выигрывают для большинства портативных приложений. Но в семействе SAR есть и другие варианты: одноконтурные против дифференциальных входов, внутренние против внешних ссылок и разрешение (10-битное до 16-битное). Более высокие ADC разрешения обычно потребляют больше мощности на преобразование, но для данного разрешения хорошо спроектированный SAR ADC может использовать меньше мощности, чем преобразователь ΣΔ с аналогичной точностью. Используйте показатель заслуг ADC (FOM = мощность / (2^ENOB × Sample Rate)) для сравнения между устройствами.

При выборе также учитывают диапазон входного напряжения. ADC рельса-рельса может обрабатывать сигналы от 0 до VDD без внешнего усилителя, экономя мощность от стадии кондиционирования сигнала.

5. Минимизируйте диапазон входного напряжения

Уменьшение диапазона входного напряжения ADC пропорционально снижает требуемое опорное напряжение и часто внутренний ток перераспределения заряда. Если выход датчика равен 0-1В, настройка ADC для опорного устройства 1.2В вместо 3.3В может сократить мощность на 30-50%. Используйте программируемые усилители усиления (PGA), интегрированные в некоторые ADC, чтобы соответствовать сигналу диапазону ADC при одновременном снижении шума.

Однако, убедитесь, что отношение сигнал/шум (SNR) остается приемлемым: вдвое сокращая диапазон входных данных, также вдвое уменьшает размер LSB, делая систему более чувствительной к шуму.

6. Используйте кондиционирование сигнала для снижения требований к частоте выборки

Стабильные, чистые аналоговые сигналы позволяют снизить частоту отбора проб без псевдонимов. Внедрить фильтры для сглаживания (простой RC low-pass) перед ADC для удаления высокочастотного шума, который в противном случае заставил бы переборку. Аналогично, использовать буферный усилитель для представления источника низкого давления в ADC, уменьшая ошибки преобразования и позволяя быстрее осесть.

Для конструкций с батарейным питанием выберите оп-ампы сверхнизкой мощности (например, 1 мкА похолодания) для кондиционирования сигнала. Каждый сохраненный здесь милливатт непосредственно продлевает срок службы батареи.

7. Оптимизация программного обеспечения и обработки данных

Прошивка может быть невоспетым героем экономии энергии. Используйте DMA (прямой доступ к памяти) для перемещения данных ADC непосредственно в ОЗУ без вмешательства процессора - это позволяет микроконтроллеру спать дольше. Соберите несколько конверсий в одну передачу DMA перед пробуждением процессора для обработки. Избегайте опроса или конверсии с прерыванием; вместо этого используйте конверсии с таймером с автоматическим отключением питания после каждого набора.

Используйте многоканальное секвенирование: если устройство контролирует несколько датчиков, секвенирует все преобразования в один всплеск, то спите в течение длительного интервала, а не просыпаетесь многократно для каждого канала.

Значения калибровки кэша: Многие АЦП требуют периодической калибровки. Вместо того, чтобы перекалибровывать каждое преобразование, калибруйте один раз при запуске и только снова, когда температура или напряжение значительно меняются.

8. Внедрение аппаратной фильтрации и децимации

Аппаратные децимирующие фильтры (в пределах ADC или внешнего FPGA) могут снижать эффективную частоту выборки при сохранении высокочастотного шумоподавления. Например, ΣΔ ADC может работать при 10 MSPS внутри, но децимировать до 10 кSPS, усредняя шум. Внутренний цифровой фильтр потребляет мощность, но часто более эффективен, чем выполнение той же операции в микроконтроллере. Некоторые маломощные ΣΔ ADC позволяют пользователям регулировать коэффициент пересбора для разрешения торговли для питания напрямую.

Интеграция системного управления мощностью

Срок службы батареи является свойством системы, а не только компонентом. Интегрировать управление питанием ADC с общей машиной состояния питания устройства. Например:

• Активный режим: ADC непрерывная или высокая скорость выборки.
• Беспроводный режим: ADC в режиме ожидания, готовый проснуться в течение микросекунд.
• Режим сна: АЦП отключен, микроконтроллер глубокого сна, пробуждение через таймер или внешнее прерывание.

Используйте специальную ИС управления питанием (PMIC) для питания ADC и аналогового интерфейса только при необходимости. Многие ПМИК имеют настраиваемые переключатели нагрузки, которые управляют доменами питания с микросекундным временем переключения. Координируйте с состояниями сна микроконтроллера, чтобы минимизировать утечку.

Рассмотрим химию батареи: литий-ионные батареи имеют различные характеристики разряда, чем щелочные или NiMH. Проектируйте минимальное рабочее напряжение для максимизации полезной емкости. АЦП малой мощности, которые работают до 1,8 В, позволяют более глубоко разрядить литий-ионный элемент 3,7 В, расширяя время выполнения.

Практическое исследование: Носимый монитор здоровья

Носимая ЭКГ-патч измеряет частоту сердечных сокращений и ритм с помощью аналогового фронтенда (AFE) с 16-битным SAR ADC. Система должна отбирать образец на 250 SPS с 10-битным эффективным разрешением (12-бит перебор). Выбрав ADC с 1 мкА сном и 10 мкА активным током на 250 SPS, средний ток можно рассчитать:

• Активная мощность: 10 мкА × 100% рабочий цикл = 10 мкА
• Однако АФЕ и АДК должны быть в рабочем цикле: образец на 100 мс затем спит на 900 мс (10% рабочего цикла) → средний ток АДК = 10 мкА × 0,1 + 1 мкА × 0,9 = 1,9 мкА.
• Добавить кондиционирование сигнала: 2 мкА для сверхнизкосильных оп-ампер → общая аналоговая цепь < 4 мкА в среднем.
• При батарее 200 мАч теоретическое время выполнения = 200 мАч / 4 мкА = 50 000 часов ≈ 5,7 года (игнорирование других компонентов и саморазряд).

Без дежурного велоспорта и с менее эффективным ADC, тот же патч может вытягивать 50 мкА, давая только 4000 часов - существенная разница. Этот пример подчеркивает мультипликативную экономию энергии от сочетания выбора архитектуры, режимов отключения питания, дежурного велоспорта и оптимизированной выборки.

Дополнительные советы по энергосбережению

• Используйте внешнюю ссылку с функцией отключения с низким энергопотреблением; внутренняя ссылка часто потребляет дополнительный ток.
• По возможности уменьшите тактовую частоту ADC; многие ADC могут работать с более низкой тактовой частотой с пропорциональной экономией энергии (проверьте лимиты листа данных).
• Масштабирование входного напряжения: если выход датчика небольшой, используйте PGA для усиления его до полного диапазона ADC, улучшая SNR и позволяя снизить частоту выборки.
• Внедрить усреднение в прошивке: взять несколько быстрых образцов и усреднить их вместо одного образца с высоким разрешением. Это может позволить использовать ADC с более низким разрешением и меньшей мощностью.
• Отключите неиспользуемые каналы ADC и аналоговые входы, чтобы предотвратить утечку плавающих входов.
• Используйте кристалл часов (32,768 кГц) для определения времени, чтобы избежать потребления высокочастотных осцилляторов при планировании преобразований ADC.
• Рассмотрим сбор энергии для перезаряжаемых устройств; сверхнизкоэнергетические АЦП (< 1 мкВт) обеспечивают постоянную работу от небольших солнечных элементов или термоэлектрических генераторов.

Будущие тенденции: снижение мощности ADC на краю

Новые конструкции ADC еще больше расширяют пределы мощности. Подпороговые ADC работают с транзисторами ниже порогового напряжения, достигая нановатт мощности на низких частотах — идеально подходит для постоянно включенных сенсорных узлов. ADC, управляемые событиями (асинхронно) преобразуются только при изменении сигнала, устраняя тактовую мощность. Машинное обучение (ML) — улучшенные ADC: используют прогнозы для снижения скорости отбора проб: устройство может изучать типичный шаблон датчика и выборку реже, когда данные предсказуемы, бодрствуя только для аномалий. Адаптивная выборка с учетом энергии регулирует параметры ADC (скорость отбора проб, разрешение, рабочий цикл) на основе напряжения батареи или оставшейся емкости.