降低倾斜传感器ADIS16209的功耗的方法介绍

1. 了解工作原理
示例的倾斜传感器系统与图1中的通用系统非常相似。MEMS加速度计包括传感器元件和接口电路。加速度计信号通过一个单极点低通滤波器，该滤波器将信号带宽限制在50Hz。模数转换器以200 SPS的采样率运行，并将其输出送入数字处理级。数字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变成倾斜角的数学函数、用户接口寄存器和一个串行接口。

假设偏置误差为零，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+1 g或–1 g的输出，极性取决于方向。静态加速度计测量与倾斜角之间的关系是一个简单的正弦或正切函数，如图3所示。这里的分析重点考虑水平模式（正弦）。

图 3. MEMS倾斜传感器工作原理

2. 通过产品文献获取相关信息
表 1 列出了影响高级传感器系统周期供电的参数。这些参数一部分可从产品数据手册获得，而其他参数需要针对终端系统性能目标进行分析。PON和T1是数据手册提供的参数。其余参数可用于估计T2和T3。关闭模式功率得自线性调节器的关断电流。

表 1. 传感器系统技术指标

3. 利用经验假设来量化其余影响因素
建立时间影响一个传感器系统能够支持的精度和测量速率。许多不同的因素都会影响建立时间，但这里重点分析电的因素。估计建立时间需要性能目标、部分重要假设和一个用于分析传感器对供电响应的模型。第一项重要假设是滤波器在初始启动周期（上电时间）之后建立。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更为保守的方法。图 4 提供分析传感器对供电响应的简化模型。

图 4. 建立时间分析的模型

供电后，加速度计传感器的输出 a(t)呈现阶跃响应。因为传感器采用单电源供电，其输出很可能会从零开始，并迅速转变至确定其方位的电平。为简明起见，假定零输出与最低有效加速度水平相对应。这种情况下，我们采用–2 g加速度，以便在最小额定值–1.7 g的基础上提供一些裕量。同时，最大倾斜范围为+30°，相当于+0.5 g。将这两个间隔结合，加速度计信号在启动时可进行的最大转换为+2.5 g。单极点、低通滤波器的阶跃响应 b(t)可通过以下公式获得：

包括数字滤波器的模型需要离散形式的 b(t)，以及一个总和模型来仿真滤波器。

建立时间是在规定精度AE范围内稳定到最终值所需的时间。图5显示两条瞬态响应曲线，指示每条曲线达到0.1 g精度所需的建立时间。

图 5. 上电瞬态响应

本例中，误差预算允许0.2°的建立精度。正弦公式提供一种将此目标转变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将非常简单。如果使用Excel，输出在N = 16时的第18次采样和N=64 时的第65次采样达到距0.5 g约3 mg内的水平。将这些数值分别除以采样速率(200 SPS)，可针对21ms (N = 1)、 90ms (N = 16)和325ms (N = 64)这些设置提供建立时间估计值。假设热建立的相关误差可忽略不计（如合理的话）。因为所考量的器件提供了温度校准响应，所以这一假设应该可以接受。验证此假设为在最终表征过程中确认精度提供了好机会。

此类系统的数据采集时间T3不需要超过一个采样周期，因为所有必需的校正和滤波都在器件内部实现。采集时间只会使总体测量时间增加5ms。

4. 使功耗与周期时间相关
此分析的最后一部分与平均功耗和周期时间有关，周期时间实际上等于各测量事件之间的时间量。表2总结了重要的周期供电因素，包括传感器数据手册中规定或通过该简单分析过程产生的因素，以及完全启动（周期供电）和休眠模式恢复（周期休眠）的次数。

表 2.关键周期供电参数汇总

下面通过计算举例说明，如何使用这些参数来分析和比较一个要求测量速率为1SPS的系统的周期供电和周期休眠。

周期供电：

周期休眠：

这里的周期休眠非常有利。但是，如果将周期时间增加至每分钟采样一次(TC = 60 s)，周期供电方式的平均功耗会是0.2mW，而周期休眠方式为1.2 mW。图6所示为周期时间与平均功耗的关系。

图 6.周期时间与平均功耗的关系

休眠模式保留全部初始化值，同时关闭系统其余部分。尽管保持这些设置需要一定功率，但恢复时间要比完全启动更快。倾斜传感器ADIS16209具有可编程休眠时间和自动唤醒功能。这种解决方案非常适用于那些具有数据就绪信号唤醒功能的主处理器，在读取所需数据后命令传感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产品实例是振动传感器ADIS16223，该传感器收集并储存振动数据，自动返回至休眠模式，然后启动对另一测量事件的倒计时。这种传感器非常适合需要进行周期性监控的系统，无需分配处理器资源来管理休眠模式和数据收集模式。

这里通过简单分析提供了部分有用的深度信息。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。在上述示例中，需要以1 SPS速率进行倾斜测量的系统采用休眠模式，省电能力提高了4倍。此处，休眠模式针对最高6s的测量周期时间可实现节能。对于测量周期时间更长的系统，与关断性能相关的功率开销更低，从而使得平均功率电平更低。

结论
无论是出于经济还是环保原因，降低功耗的要求都很普遍。降低功耗可以减小功率转换器、电池和太阳能电池等电源的尺寸和成本。其他潜在好处还包括降低热和机械设计要求，降低EMI辐射，有利于环境影响评级。

对于重视高集成度传感器产品但又不得不考虑尽可能降低功耗的工程师而言，本文提到的概念和分析方法提供了一个很好的起点。更重要的是，因为每种系统设计都存在新的机会与风险，所以确定并分析影响总体功率目标特性的相关思考过程将更加重要。完成初始分析之后，或许一句俄罗斯谚语“Доверяй, но проверяй`”（“信任，但要确认”）最能说明该如何确保最终成功实现。要跟踪重要假设，例如建立精度(3 mg)及热建立因素是否会有影响。如果有合适的硬件，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。最后，测试这些假设将增加自信，并可调整改善新假设，以用于今后的电源管理方法分析。