功耗是無線傳感器節點必須輕松連接到物聯網的關鍵設計標準。

無線收發器和微控制器的電源管理是實現最低功耗以實現最長電池壽命的重要部分，但它可能需要復雜的硬件，軟件和分析組合。

Silicon Labs的BGM113是一款完全集成，經過認證的藍牙低能耗模塊，它結合了2.4 GHz藍牙片上系統，高效陶瓷芯片天線和符合藍牙4.2標準的軟件堆棧。

圖1：BGM113模塊為物聯網提供低功耗藍牙。

低功耗EFM32 Gecko微控制器技術是結合單個芯片上的超低功耗藍牙智能收發器。這樣可以實現更有效的數字電源管理，具有快速喚醒時間，更高的RF靈敏度和外設的透明管理，從而最大限度地降低功耗。完全集成的功率放大器和平衡 - 不平衡轉換器可實現+ 10 dBm的RF靈敏度提升，并為與應用緊密耦合的電源管理提供更多機會。

ARM?Cortex?-M4內核支持128至256 kB閃存大小和16至32 kB RAM大小以及通過外圍反射系統（PRS）連接的一系列低能耗外設。這允許它們作為數字電源管理的一部分從控制器自主操作。

藍牙智能模塊經認證可用于所有主要市場，包括北美，歐洲，日本和韓國，并可使用標準3 V紐扣電池或兩節AAA電池供電。

采用3 V電源的EFM32

內存中的實際應用EM0

運行模式EM1

睡眠模式EM2

深度睡眠EM3

停止模式EM4

關閉模式電流消耗下降至63μA/MHz至低至32μA/MHz低至0.9μA低至0.6μA低至20 nA喚醒時間 - 02μs2μs160μs喚醒事件任何32 KHz外設異步IRQ，

12C從器件 - 模擬比較器

電壓比較器復位，

GPIO上升沿/下降沿CPU（Cortex-M3/M0）開 - - - - 提供高頻外設 - - - 提供低頻外設 - - - 可用的異步外設可用 - 全CPU和SRAM保持亮亮亮 - 上電復位/欠壓檢測開亮亮亮開

圖2：EFM32控制器的能量模式。

能量模式

運行32 MHz和3 V時，EFM32控制器在運行實際代碼時僅消耗150μA/MHz，但外圍設備控制器也有幾種低功耗模式。能量管理單元（EMU）進一步管理數字控制下的系統功率。

六通道PRS鏈接外設并監控系統級事件，以便不同外設可以在沒有CPU干預的情況下相互自主通信。 PRS會在喚醒CPU之前監視特定事件，從而盡可能長時間地將內核保持在節能待機模式，從而降低系統功耗并延長電池壽命。

EMU管理轉換在設備中的五種能量模式中，控制哪些外圍設備和功能可用以及設備消耗的電流量。

在能量模式0（EM0）下，CPU從閃存或RAM獲取并執行指令，并且可以啟用所有低能耗外設。從這里開始，內核可以快速進入低能耗模式之一，暫停CPU和閃存。喚醒后，所有低能耗模式在2μs內返回EM0并使用180μA/MHz。

在EM1睡眠模式下，CPU的時鐘被禁用，但所有外設，包括閃存和RAM正在運行，PRS從外設收集數據，使系統能夠長時間保留在EM1中并保持完整數據。這使用45μA/MHz。

在EM2深度睡眠模式下，主高頻振蕩器關閉，但32 kHz振蕩器和實時時鐘可用于低能量外設。 EM0的喚醒時間僅為2μs，低泄漏RAM確保完全數據保持，功耗為0.9μA。

EM3停止模式禁用低頻振蕩器，但保持低電平 - 漏電RAM供電，以便低功耗模擬比較器或異步外部中斷可以喚醒器件。此模式使用0.6μA。

對于不需要RTC或RAM保留的應用，EM4關閉模式是可用的最深能量模式，喚醒的唯一方法是復位，這僅使用20 nA。

圖3：BGM113模塊中不同外設的可能能量模式。

《 p》 EMU還可用于關閉未使用的RAM模塊的電源，它包含DC-DC穩壓器和電壓監視器（VMON）的控制寄存器。它監控多個電源電壓并具有多個通道，可以在代碼中單獨編程，以確定檢測到的電源是否低于選定的閾值。

電源管理

EMU和集成穩壓器從模塊的集成DC-DC降壓穩壓器產生內部電源電壓，因此只需要一個外部電源電壓。這樣可以對內部電壓進行更精細的控制，從而最大限度地降低模塊的功率。

DC-DC轉換器可承受各種負載電流，在能量模式EM0中提供高達90％的效率， EM1，EM2和EM3。注意降低RF噪聲意味著DC-DC轉換器將在不降低無線電組件靈敏度的情況下運行，這是無線收發器中數字電源管理的重要組成部分。

有各種保護功能DC-DC轉換器，包括可編程電流限制，短路保護和死區時間保護，當輸入電壓過低而無法進行有效操作時，它也可能進入旁路模式。在旁路模式下，DC-DC輸入電源通過低電阻開關在內部直接連接到其輸出。此旁路模式還具有浪涌電流限制功能，可防止因輸出電流過大而導致輸入電源電壓下降。

時鐘

管理器件的時鐘信號是另一個關鍵因素。數字電源管理，允許外圍設備進入低功耗模式。時鐘管理單元（CMU）控制BGM113中的振蕩器和時鐘，以及啟用振蕩器的配置。 CMU的靈活性允許軟件通過最小化未使用外設和振蕩器的功耗來優化任何特定應用中的能耗。但是，從設備設計開始就考慮到數字電源管理，可以針對功率控制的不同元件優化振蕩器。

因此，芯片上集成了兩個晶體振蕩器和四個RC振蕩器，38.4 MHz高頻晶體振蕩器（HFXO）為MCU和無線電提供精確的時序參考，以及32.768 kHz晶體振蕩器（LFXO）為低能耗模式提供精確的時序參考。

圖4：具有電源管理模塊的Blue Gecko控制器的內部結構。

當不需要晶體精度時，MCU系統可以使用集成的高頻RC振蕩器（HFRCO），這采用快速啟動技術，能耗最低，頻率范圍寬，可以保持功率

另一個集成的低頻32.768 kHz RC振蕩器（LFRCO）可用作低能量模式下的定時基準，并提供集成的超低頻1 kHz RC振蕩器（ULFRCO）提供低能耗模式下最低能耗的定時參考。

無線電子系統也是數字電源管理方案的一部分。 RFSENSE模塊在天線接口檢測到寬帶RF能量時產生系統喚醒中斷，從低能量模式（包括EM2，EM3和EM4）提供真正的RF喚醒功能。

這會觸發相對較強的RF信號并且可以在最低能量模式下使用，根據應用代碼和使用的模式，可以實現非常低的能耗。它不會對接收信號進行解調或限定，但軟件可以通過啟用正常的RF接收來響應喚醒事件。

軟件

數字電源管理也是軟件鏈的一部分。 Simplicity Studio開發工具的一個關鍵部分是energyAware Profiler，它可以從芯片訪問高級能源監控（AEM）數據。通過USB端口將開發套件連接到PC，可以提供有關電流消耗的實時信息。

AEM允許開發人員在應用程序運行時跟蹤能耗，因此可以在整個模塊中提供實際值而非估算值，以便全面了解能耗。

電流傳感器對流過控制器主電源軌的電流進行采樣，對電流數據進行采樣和轉換以及電壓和定時信息。測量200μA以下的電流時，AEM的帶寬為60 Hz，測量200μA以上的電流時，AEM的帶寬為120 Hz。高于200μA，最大誤差為0.1 mA，低于200μA，精度提高至1μA，但傳感器仍可檢測到小至100 nA的電流消耗變化。

這允許通過更改應用程序代碼來優化功率。

代碼分析

這是通過energyAware Profiler能量調試工具完成的，該工具從AEM獲取數據并使用相關代碼在當前與時間圖表中顯示信息。開發人員可以放大能量圖的X（時間）和Y（功率）軸，以更精確地分析能耗的細節。此外，分析器提供能量圖，功能分析器和應用程序代碼之間的直接關聯。

圖5：能耗分析代碼作為一部分BME113無線模塊的數字電源管理。

結論

數字電源管理貫穿整個BM113無線模塊。從控制器核心到外圍設備和無線電收發器，可以以不同方式關閉所有模塊以優化功耗。結合開發工具中的能量分析代碼分析和模塊本身的實際數據，開發人員可以在整個模塊中有效地管理電源，從而最大限度地延長物聯網應用中的電池壽命。