【广州★兰瑟电子】国际传感专家，中国衡器制造10大供应商之一。全球提供传感器，称重传感器，压力传感器，扭矩传感器，称重显示仪表，接线盒，电子称及相关配套附件。以下是让高整合传感器降低平均功耗的几种有效方法的相关介绍。

传感器降低功耗，这个可以使感测更加精准。由于感测器准确度与给定的功率位准高低是息息相关的，而系统功耗降低的空间又会受到限制;所有对于具有高整合度、规格完整的感测器，我们的选择可以使开发成本和风险降到最低。而电力循环(PowerCycling)技术可藉由分析感测器工作周期(DutyCycle)，适当控制感测器开关状态，有利于开发人员达到最低系统平均功耗，并兼顾感测精准度。

系统开发人员就算对感测器并不熟悉，仍能运用具有高整合度、规格完整的感测器，将开发成本和风险降到最低。因为感测器准确度主要是依据定的功率位准来决定的，因此开发人员降低功率消耗的空间将受到压缩。事实上，对于必须严格管理能源使用情形的产品，电力循环技术可为降低平均功率消耗开辟一条新道路。本文将聚焦于电力循环及其对总体功率消耗的影响。电力循环是一种重要的能源管理技巧，也就是说当你不需要使用到什么功能的时候，它会主动关闭，关闭其电源的流程，等于这个程序没有参与操作。当不需要用到感测器系统的时候，这样做就可以降低平均功率消耗。

PON是系统处于正常工作状态的功率消耗，POFF是系统处于关闭态的功率消耗，这两者均与剩余电流(ResidualCurrent)相关，像是电源稳压器要维持功率开关或关机模式所需的电流，其典型值在1微安培(μA)左右。开启时间是感测器系统开启、进行所需测量，然后再关闭所需的时间量;关闭时间(TOFF)取决于系统须要进行感测器测量的频繁程度。因为当你关闭的时候它所产生的功率比开启的时候产生的功率要低很多。平均功率消耗基本上与工作周期(DutyCycle)成正比。例如，如果关闭状态的功率为零且工作周期为10%，则平均功率消耗为正常工作下功率消耗的10%。

感测器系统运作流程复杂

感测器可将物理量(如温度、加速度或应力等)转换成电子讯号。为了更加合理完善使用这些电子讯号，感测器传感器元件需要一些支援功能，如讯号调节、滤波、偏移与增益调整以及温度补偿。高级感测器产品还包括类比数位转换器(ADC)，并在单一封装中提供上述功能，以实现完整且经过校准的感测器至资料位元转换功能。这种高整合度感测器可减轻电路级设计的决策负担，但还是存在一定的不足，如果你想利用电力循环来降低平均功率，还是需要了解清楚内部工作的原理。这类产品最大的优势是略过元件级设计，略过复杂的特性与校正运算，也就是说以更少的投入资源，实现更短的设计周期。

感测器传感器简单示范案例

此案例是使用整合型MEMS倾斜感测器，来定义影响准确度和测量时间的参数，进而确认重要的功率与性能关系。以下通过四个步骤来进行简单说明：

了解感测器工作原理

MEMS加速度计核心包括感测器元件和介面电路。加速度计讯号通过一个单极点低通滤波器，该滤波器将讯号频宽限制在50Hz。类比至数位转换器以200SPS的取样率运作，并将输出送入数位处理级。数位处理功能包括一个均值滤波器、温度驱动器校正公式、将静态加速度计读数转换成倾斜角的数学函数、使用者介面暂存器，以及一个串列介面。

假设偏移误差为零，每当加速度计的测量轴与重力方向垂直时，其输出将为零。其测量轴与重力方向平行时，将产生+1g或-1g的输出，其极性取决于方向。静态加速度计量测与倾斜角间的关系是一个简单的正弦或正切函数。

由产品文件获得相关资讯

表1列出影响先进感测器系统电力循环的参数。某些参数可从产品资料手册获得，而其他参数须针对终端系统的性能目标进行分析。PON和T1是资料手册提供的参数，其余参数可用于估计T2和T3。关闭模式的功率值得自线性稳压器的关机电流(ShutdownCurrent)。

估算未明确规定的重要参数

安定时间影响一个感测器系统能够支援的准确度和测量速率。有许多不同的因素都会影响安定时间，但这里着重点在电气因素。估计安定时间需要性能目标、重要假设，以及一个用于分析感测器响应对供电的模型。第一项重要假设是滤波器在初始启动周期(开机时间)之后就安定，虽然这两个周期可以同时进行，但以连续发生的方式着手分析是较为保守的方法。

供电后，加速度计感测器的输出a(t)呈现步阶响应。因为感测器采用单电源供电，其输出很可能会从零开始，并迅速转换至确定其方位的准位。为简单起见，假定零输出对应到最低有效加速度准位。这种情况下，我们采用-2g加速度，以便在最小额定值-1.7g的基础上提供一些容限。同时，最大倾斜范围为+30o，相当于+0.5g。将这两个区间结合，加速度计讯号在启动时可进行的最大转换为+2.5g。

包括数位滤波器的模型需要离散形式的b(t)，以及一个总和模型来模拟滤波器。

安定时间是在规定准确度AE范围内稳定到最终值所需的时间。本例中，误差预算允许0.2o的安定准确度。正弦公式提供一种将此目标转换成加速度衡量指标的简单方法。

使用诸如Excel或MATLAB之类的工具对此公式进行建模是很简单的。如果使用Excel，输出在N=16时的第十八次取样和N=64时的第六十五次取样达到距0.5g约3mg内的水准。将这些数值分别除以取样速率(200SPS)，可针对21ms(N=1)、90ms(N=16)和325ms(N=64)这些设置提供安定时间估计值。假设热安定的相关误差可忽略不计(如果合理的话)。由于所考量的元件提供温度校准回应，所以这一假设应该可以接受。验证此假设为在确认准确度的最终特性过程中，提供不错的机会。

推算功率与性能的关系

本分析的最后一部分与平均功率消耗及循环时间有关，循环时间实际上等于两个特有测量事件之间的时间量。表2总结重要的电力循环因素，包括感测器资料手册中规定或藉由该简单分析过程产生的因素，以及完全启动(电力循环)和休眠模式恢复(休眠循环)的次数。

在这里休眠循环非常有利。然而，如果将循环时间增加至每分钟取样一次(TC=60s)，电力循环方式的平均功率消耗会是0.2毫瓦(mW)，而休眠循环方式为1.2毫瓦。

休眠模式保留全部初始值，同时关闭系统其余部分。尽管保持这些设定值需要一定功率，但恢复时间要比重新完全启动的时间更快。业界已研发一款倾斜感测器，具有可程式休眠时间和自动唤醒功能，这种解决方案非常适用于那些可发出资料就绪讯号来执行唤醒功能的主处理器，在读取所需资料后，命令感测器再次在另一个固定的周期内重新处于休眠模式。使用休眠模式的另一MEMS产品实例是振动感测器，该感测器收集并储存振动资料后，自动返回休眠模式，然后启动对另一测量事件的倒数计时。这种感测器非常适合须要进行周期性监控的系统，毋须分配处理器资源管理休眠模式和资料收集模式。

这里藉由简单的分析提供部分有用的深度资讯。具体而言，在某些情况下，不管休眠模式需要多少功率，通过休眠模式管理仍然能够实现节能。在上述范例中，须要以1SPS速率进行倾斜测量的系统采用休眠模式，省电能力提高四倍。此处，休眠模式针对最高6s的测量循环时间可实现节能。对于测量循环时间更长的系统，与关机性能相关的功率消耗更低，进而使得平均功率位准更低。

电力循环须考量资料撷取时间

评估感测器系统中电力循环的有效性时，设计人员必须确定撷取有效资料所花的时间。TM是量测时间、TC是循环时间。测量时间取决于启动时间T1、安定时间T2和资料撷取时间T3。

启动时间取决于系统处理器与初始化常式，该常式是支援感测器资料取样与讯号处理操作一定要执行的步骤。使用高整合度感测器系统时，通常产品文件中会规定启动时间。这类产品也是会提供休眠模式，但是你让启动时间越快，，它的代价是其断电时的功率消耗比关机模式要高。

安定时间可包括感测器、介面电路、滤波器和物理元件的电气行为，以及热安定时间与机构安定时间。某些情况下，这些暂态行为在开机时就已经安定下来，因此对总体测量时间影响很小，甚至没有影响。除非进一步的分析研究，可以支持启动与安定是同时发生的这类较有利假设，否则分析这些特性的最保守方法，是假设这些情形是一连串发生的。

资料撷取时间取决于所需资料样本的数量、系统处理器读取资料的速度，以及精确资料撷取准备就绪后，处理器可以开始工作的时间。

对于感测器传感器来说，其实不管是出于经济因素还是环保因素，降低功率消耗的要求都是非常重要的。降低功率消耗可以减小电源转换器、电池和太阳能电池等电源的尺寸和成本，减少开支。其他潜在好处还包括降低热和机构设计要求，降低电磁干扰(EMI)辐射，有利于环境影响率降低等好处。

对于重视高整合度的感测器产品，但有需要降低功率消耗的工程师而言，广州兰瑟电子编辑的相关文章是一个很好的起点。当然更重要的是，因为每种系统设计都存在新的机会与风险，所以确定并分析选择总体功率目标特性的相关思考变得尤为重要，从中最能说明该如何确保最终成功可能性的大小。如果有合适的硬体，要在尽可能匹配其预期使用条件的情况下测试这些解决方案，因这些假设不仅能让工程师设计出理想产品并且可以通过调整新的假设值，来作用于以后的电源管理分析。