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【廣州★蘭瑟電子】國際傳感專家，中國衡器制造10大供應商之一。全球提供傳感器，稱重傳感器，壓力傳感器，扭矩傳感器，稱重顯示儀表，接線盒，電子稱及相關配套附件。以下是讓高整合傳感器降低平均功耗的幾種有效方法的相關介紹。

傳感器降低功耗，這個可以使感測更加精準。由于感測器準確度與給定的功率位準高低是息息相關的，而系統功耗降低的空間又會受到限制;所有對于具有高整合度、規格完整的感測器，我們的選擇可以使開發成本和風險降到最低。而電力循環(PowerCycling)技術可藉由分析感測器工作周期(DutyCycle)，適當控制感測器開關狀態，有利于開發人員達到最低系統平均功耗，并兼顧感測精準度。

系統開發人員就算對感測器并不熟悉，仍能運用具有高整合度、規格完整的感測器，將開發成本和風險降到最低。因為感測器準確度主要是依據定的功率位準來決定的，因此開發人員降低功率消耗的空間將受到壓縮。事實上，對于必須嚴格管理能源使用情形的產品，電力循環技術可為降低平均功率消耗開辟一條新道路。本文將聚焦于電力循環及其對總體功率消耗的影響。電力循環是一種重要的能源管理技巧，也就是說當你不需要使用到什么功能的時候，它會主動關閉，關閉其電源的流程，等于這個程序沒有參與操作。當不需要用到感測器系統的時候，這樣做就可以降低平均功率消耗。

PON是系統處于正常工作狀態的功率消耗，POFF是系統處于關閉態的功率消耗，這兩者均與剩余電流(ResidualCurrent)相關，像是電源穩壓器要維持功率開關或關機模式所需的電流，其典型值在1微安培(μA)左右。開啟時間是感測器系統開啟、進行所需測量，然后再關閉所需的時間量;關閉時間(TOFF)取決于系統須要進行感測器測量的頻繁程度。因為當你關閉的時候它所產生的功率比開啟的時候產生的功率要低很多。平均功率消耗基本上與工作周期(DutyCycle)成正比。例如，如果關閉狀態的功率為零且工作周期為10%，則平均功率消耗為正常工作下功率消耗的10%。

感測器系統運作流程復雜

感測器可將物理量(如溫度、加速度或應力等)轉換成電子訊號。為了更加合理完善使用這些電子訊號，感測器傳感器元件需要一些支援功能，如訊號調節、濾波、偏移與增益調整以及溫度補償。高級感測器產品還包括類比數位轉換器(ADC)，并在單一封裝中提供上述功能，以實現完整且經過校準的感測器至資料位元轉換功能。這種高整合度感測器可減輕電路級設計的決策負擔，但還是存在一定的不足，如果你想利用電力循環來降低平均功率，還是需要了解清楚內部工作的原理。這類產品最大的優勢是略過元件級設計，略過復雜的特性與校正運算，也就是說以更少的投入資源，實現更短的設計周期。

感測器傳感器簡單示范案例

此案例是使用整合型MEMS傾斜感測器，來定義影響準確度和測量時間的參數，進而確認重要的功率與性能關系。以下通過四個步驟來進行簡單說明：

了解感測器工作原理

MEMS加速度計核心包括感測器元件和介面電路。加速度計訊號通過一個單極點低通濾波器，該濾波器將訊號頻寬限制在50Hz。類比至數位轉換器以200SPS的取樣率運作，并將輸出送入數位處理級。數位處理功能包括一個均值濾波器、溫度驅動器校正公式、將靜態加速度計讀數轉換成傾斜角的數學函數、使用者介面暫存器，以及一個串列介面。

假設偏移誤差為零，每當加速度計的測量軸與重力方向垂直時，其輸出將為零。其測量軸與重力方向平行時，將產生+1g或-1g的輸出，其極性取決于方向。靜態加速度計量測與傾斜角間的關系是一個簡單的正弦或正切函數。

由產品文件獲得相關資訊

表1列出影響先進感測器系統電力循環的參數。某些參數可從產品資料手冊獲得，而其他參數須針對終端系統的性能目標進行分析。PON和T1是資料手冊提供的參數，其余參數可用于估計T2和T3。關閉模式的功率值得自線性穩壓器的關機電流(ShutdownCurrent)。

估算未明確規定的重要參數

安定時間影響一個感測器系統能夠支援的準確度和測量速率。有許多不同的因素都會影響安定時間，但這里著重點在電氣因素。估計安定時間需要性能目標、重要假設，以及一個用于分析感測器響應對供電的模型。第一項重要假設是濾波器在初始啟動周期(開機時間)之后就安定，雖然這兩個周期可以同時進行，但以連續發生的方式著手分析是較為保守的方法。

供電后，加速度計感測器的輸出a(t)呈現步階響應。因為感測器采用單電源供電，其輸出很可能會從零開始，并迅速轉換至確定其方位的準位。為簡單起見，假定零輸出對應到最低有效加速度準位。這種情況下，我們采用-2g加速度，以便在最小額定值-1.7g的基礎上提供一些容限。同時，最大傾斜范圍為+30o，相當于+0.5g。將這兩個區間結合，加速度計訊號在啟動時可進行的最大轉換為+2.5g。

包括數位濾波器的模型需要離散形式的b(t)，以及一個總和模型來模擬濾波器。

安定時間是在規定準確度AE范圍內穩定到最終值所需的時間。本例中，誤差預算允許0.2o的安定準確度。正弦公式提供一種將此目標轉換成加速度衡量指標的簡單方法。

使用諸如Excel或MATLAB之類的工具對此公式進行建模是很簡單的。如果使用Excel，輸出在N=16時的第十八次取樣和N=64時的第六十五次取樣達到距0.5g約3mg內的水準。將這些數值分別除以取樣速率(200SPS)，可針對21ms(N=1)、90ms(N=16)和325ms(N=64)這些設置提供安定時間估計值。假設熱安定的相關誤差可忽略不計(如果合理的話)。由于所考量的元件提供溫度校準回應，所以這一假設應該可以接受。驗證此假設為在確認準確度的最終特性過程中，提供不錯的機會。

推算功率與性能的關系

本分析的最后一部分與平均功率消耗及循環時間有關，循環時間實際上等于兩個特有測量事件之間的時間量。表2總結重要的電力循環因素，包括感測器資料手冊中規定或藉由該簡單分析過程產生的因素，以及完全啟動(電力循環)和休眠模式恢復(休眠循環)的次數。

在這里休眠循環非常有利。然而，如果將循環時間增加至每分鐘取樣一次(TC=60s)，電力循環方式的平均功率消耗會是0.2毫瓦(mW)，而休眠循環方式為1.2毫瓦。

休眠模式保留全部初始值，同時關閉系統其余部分。盡管保持這些設定值需要一定功率，但恢復時間要比重新完全啟動的時間更快。業界已研發一款傾斜感測器，具有可程式休眠時間和自動喚醒功能，這種解決方案非常適用于那些可發出資料就緒訊號來執行喚醒功能的主處理器，在讀取所需資料后，命令感測器再次在另一個固定的周期內重新處于休眠模式。使用休眠模式的另一MEMS產品實例是振動感測器，該感測器收集并儲存振動資料后，自動返回休眠模式，然后啟動對另一測量事件的倒數計時。這種感測器非常適合須要進行周期性監控的系統，毋須分配處理器資源管理休眠模式和資料收集模式。

這里藉由簡單的分析提供部分有用的深度資訊。具體而言，在某些情況下，不管休眠模式需要多少功率，通過休眠模式管理仍然能夠實現節能。在上述范例中，須要以1SPS速率進行傾斜測量的系統采用休眠模式，省電能力提高四倍。此處，休眠模式針對最高6s的測量循環時間可實現節能。對于測量循環時間更長的系統，與關機性能相關的功率消耗更低，進而使得平均功率位準更低。

電力循環須考量資料擷取時間

評估感測器系統中電力循環的有效性時，設計人員必須確定擷取有效資料所花的時間。TM是量測時間、TC是循環時間。測量時間取決于啟動時間T1、安定時間T2和資料擷取時間T3。

啟動時間取決于系統處理器與初始化常式，該常式是支援感測器資料取樣與訊號處理操作一定要執行的步驟。使用高整合度感測器系統時，通常產品文件中會規定啟動時間。這類產品也是會提供休眠模式，但是你讓啟動時間越快，，它的代價是其斷電時的功率消耗比關機模式要高。

安定時間可包括感測器、介面電路、濾波器和物理元件的電氣行為，以及熱安定時間與機構安定時間。某些情況下，這些暫態行為在開機時就已經安定下來，因此對總體測量時間影響很小，甚至沒有影響。除非進一步的分析研究，可以支持啟動與安定是同時發生的這類較有利假設，否則分析這些特性的最保守方法，是假設這些情形是一連串發生的。

資料擷取時間取決于所需資料樣本的數量、系統處理器讀取資料的速度，以及精確資料擷取準備就緒后，處理器可以開始工作的時間。

對于感測器傳感器來說，其實不管是出于經濟因素還是環保因素，降低功率消耗的要求都是非常重要的。降低功率消耗可以減小電源轉換器、電池和太陽能電池等電源的尺寸和成本，減少開支。其他潛在好處還包括降低熱和機構設計要求，降低電磁干擾(EMI)輻射，有利于環境影響率降低等好處。

對于重視高整合度的感測器產品，但有需要降低功率消耗的工程師而言，廣州蘭瑟電子編輯的相關文章是一個很好的起點。當然更重要的是，因為每種系統設計都存在新的機會與風險，所以確定并分析選擇總體功率目標特性的相關思考變得尤為重要，從中最能說明該如何確保最終成功可能性的大小。如果有合適的硬體，要在盡可能匹配其預期使用條件的情況下測試這些解決方案，因這些假設不僅能讓工程師設計出理想產品并且可以通過調整新的假設值，來作用于以后的電源管理分析。