【应用】数字电源管理如何提高物联网中蓝牙无线收发器的性能

时间： 2018-08-14 来源：得捷电子

技术问答

功耗一直以来作为连接到物联网的无线传感器结点的一项关键设计标准。其中，无线收发器和微控制器之间的电源管理是实现最低功耗以达到超长电池寿命的重要部分，但它可能需要复杂的硬件、软件以及分析组合。SILICON LABS的BGM113是一款全集成，低功耗蓝牙认证型模块，它将2.4GHz 蓝牙SoC、高频片式天线、符合蓝牙4.2的软件协议栈组合在一起。

图1 BGM113蓝牙智能模块为物联网提供低功耗蓝牙

Silicon Labs 低功耗EFM32 Gecko微控制器技术与单个裸片上的超低功耗蓝牙智能收发器相结合，这样可以实现更有效的数字电源管理，具有快速唤醒时间，更高的RF灵敏度和外设的透明管理，从而最大限度地降低功耗。完全集成的功率放大器和Balun可实现RF灵敏度提高+10dBm，同时为应用提供更多紧密耦合的电源管理机会。

ARM®Cortex®-M4内核支持128至256 kB闪存大小和16至32 kB RAM大小，以及通过外围反射系统（PRS）连接的一系列低能耗外设。这允许它们作为数字电源管理的一部分从控制器自主操作。

图2 EFM32控制器的能量模式

能量模式：

运行在32 MHz和3V的环境中时，EFM32控制器在运行实际代码时仅消耗150μA/MHz，但是能量管理单元（EMU）还为外围设备控制器提供了几种低功耗模式，以进一步管理数字控制下的系统，如图2所示。六通道PRS链接外设并监视系统级事件，以便不同的外围设备可以在没有CPU干预的情况下能够彼此自主通信。PRS在唤醒CPU之前监视特定事件，从而尽可能长时间地将内核保持在节能待机模式，降低系统功耗并延长电池寿命。

图3 BGM113模块中不同外设的可能能量模式。

EMU还可用于关闭未使用过的RAM模块的电源，包含DC-DC稳压器和电压监视器（VMON）的控制寄存器，能够监控多个电源电压并具有多个通道，可以在代码中单独编程，以确定检测到的电源是否低于选定的阈值。

能源管理：

EMU和集成稳压器通过集成的DC-DC降压稳压器为模块产生内部电源电压，因此只需要提供一个外部电源电压。这种控制方式允许更精细地控制内部电压，使得模块的功率消耗达到最小。

DC-DC转换器可覆盖各种负载电流，并在EM0，EM1，EM2和EM3能量模式下提供高达90％的效率。注意RF噪声缓解，意味着DC-DC转换器将在不降低无线电组件灵敏度的情况下执行，这是无线收发器中数字电源管理的重要组成部分。

DC-DC转换器具有各种保护功能，包括可编程电流限制，短路保护和死区时间保护。当输入电压过低而无法进行高效操作时，也有可能进入旁路模式。在旁路模式下，DC-DC输入电源通过低电阻开关在内部直接连接到其输出。该旁路模式还具有浪涌电流限制，以防止由于过大的输出电流瞬变引起的输入电源电压下降。

时钟：

管理器件上的时钟信号是数字电源管理的另一个关键要素，其允许外设置于低功耗模式。时钟管理单元（CMU）控制BGM113中的振荡器和时钟以及启用振荡器的配置。CMU的灵活性允许软件通过最小化未使用外设和振荡器的功耗，来优化任何特定应用中的能耗。所以，应从该设备设计开始时就考虑到数字电源管理允许振荡器针对功率控制的不同元件进行优化。芯片上集成了两个晶体振荡器和四个RC振荡器，38.4 MHz高频晶体振荡器（HFXO）为MCU和无线电提供精确的定时参考，32.768 kHz晶体振荡器（LFXO）提供准确的低功耗模式的定时参考。

图4 带有电源管理模块的Blue Gecko控制器的内部结构。

软件工具：

数字电源管理也是软件的一部分。Simplicity Studio开发工具的一个关键部分是energyAware Profiler，它可以从芯片访问高级能源监控（AEM）数据。通过USB端口将开发套件连接到PC，从而提供有关电流消耗的实时信息。AEM允许开发人员在应用程序运行时跟踪能耗，因此整个模块中的是实际值而不是估计值，使其能够提供能耗的完整视图。电流传感器对流过控制器主电源轨的电流进行采样，对电流数据转换以及电压和定时信息进行采样。测量200μA以下的电流时，AEM的带宽为60 Hz，测量200μA以上的电流时，AEM的带宽为120 Hz。高于200μA，最大误差为0.1 mA，低于200μA，精度提高至1μA，但传感器仍可检测到小至100 nA的电流损耗变化。这使得可以通过更改应用程序代码来优化电源。

代码分析：

代码分析是通过energyAware Profiler能量调试工具完成的，该工具从AEM获取数据并使用相关代码在当前时间图中显示信息。开发人员可以放大能量图的X（时间）和Y（功率）轴，以更精确地分析能耗细节。此外，分析器提供能量图，功能分析器和应用程序代码之间的直接关联。

图5 作为BME113无线模块数字电源管理一部分的能耗分析代码

总结：

数字电源管理贯穿整个BM113无线模块，从控制器核心到外围设备和无线电收发器，可以以不同方式关闭所有模块以优化功耗。结合开发工具中的能源分析代码分析和模块本身的实际数据，开发人员可以在整个模块中有效地管理电源，从而最大限度地延长物联网应用中的电池寿命。

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全部评论（3）

大虫子 Lv7. 资深专家 2021-05-15

学习了
luose Lv8. 研究员 2018-08-14

学习下！
用户63147486 Lv4. 资深工程师 2018-08-14

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