论能量采集实施时的超低耗需求

作者：Bruno Damien（安森美半导体）与Andrea Colognese（卡诺瓦技术）

近年来，能量采集主题在电子设计界内引起了极大的兴趣。通过该程序能够捕获、采集到少量能量，然后被电子设备元件所使用，能够完成简单的任务，而不需在系统设计中嵌入常规电源。但是，为了有效实施，在规定的组成部件以及系统布局方面，该系统需要以最大可能的效率水平进行操作。下文将讨论多项技术难题，并说明创新性数字、模拟和电源管理半导体技术在克服这些技术难题方面是如何发挥关键作用。

目前，使用能量采集（或挖掘）技术的应用包括楼宇自动化系统、远程监视器/数据采集装置，以及无线传感器网络。由于采集技术不依赖于常规的电源形式，因而具有两个关键的生态效益。首先，它不会导致化石燃料储量耗竭；其次，不会加剧污染程度（原因是不会产生碳排放，也不用一次性电池）。除了省去接线或电缆布线需求以及由此产生的便利性，原始设备制造（OEM）和系统集成商此类实施的实际优势在于，一旦安装到位，由于没有费用单或要求跳闸以更换电池的高额费用等，其实际上没有日常运转费用。

采集所需能量

从环境中采集能量的方法很多（取决于最适合具体应用设置的方法），产生的功率水平通常在10 µW至400 µW范围内。在使用的机制中，存在温度差、动力（通常通过振动运动）、太阳能、压电效应、热电效应和电磁效应。但是，太阳能有可能成为例外，能量采集是“免费”能量的观点不完全准确。基于振动或热梯度的能源利用该系统的大量能源垃圾，因此需要纳入维修和维护成本。

图1：现实世界应用的能源范围指示

Increasing use of EH	增加EH使用
WSN Sleep Process Transmit	WSN睡眠过程传输
μP desktop	μP台式电脑
μP laptop	μP笔记本电脑
Bicycle lighting	自行车照明
PALM, MP3	PALM、MP3
Transceiver Bluetooth	收发器蓝牙
Miniature FM Receiver	微型调频接收机
Hearing aid	助听器
RFID Tag	无线射频识别标签
Electronic watch or calculator	电子表或计算器
32 KHz quartz oscillator	32 KHz石英振荡器
Standby	备用
Source IDTechEx report “Energy Harvesting and Storage for Electronic Devices 2009-2019”	来源：IDTechEx “2009年至2019年电子设备能量采集和储存”报告
Button batteries AA or AAA large rechargeable	纽扣电池 AA或AAA 大型可充电电池

 

通过采集程序产生的电源可有很多种用途，例如：

1. 开关（楼宇自动化）-用于打开或关闭开关的机械力足以产生数毫焦（mJ）的能量，以运行无线传输器，发送一个射频信号来驱动门插销或灯。由于不需要接线，该方法便于操作且美观实用。

2.   温度传感器（楼宇自动化）-环境空气与加热器之间的温差能够提供所需电源，采用无线方式将温度数据发回至调节系统。

3.   空气调节（楼宇自动化）-通过电磁感应，可以利用空气调节系统管道的振动产生的电信号，也能够通过该信号控制空气调节。

4.   远程监控（工业/环境）-可以是无人监控的气象站、化工厂气体传感系统或海啸报警系统。一块太阳能电池或小型风力涡轮机就可提供所需能量。

5.   医学植入体（医疗保健）-例如血糖监测仪，通过热量或身体运动。放在病人皮肤上的低功耗无线收发器将数据反馈至中枢，且无需任何电池（以此提高病人的舒适度，并降低产生的不便）。

6.   手表（消费者）-能够使用太阳能或动能运行无电池的计时器。

7.   轮胎气压监测（TPMS，自动的）-使用表面声波（SAW）传感技术，能够避免因安装支持每个车轮上温度/压力传感器所需的电池和复杂电子设备而产生的问题，以此降低材料清单费用和所需的工程资源。

系统设计要素

仅电源的µW发挥作用时，尽可能对其充分利用显然至关重要。工程师需要努力工作以避免损耗。这涉及硬件和软件的考量，能够通过实施高效的组成部件以及确保完全的设计优化来实现。电子系统必须由低压电路组成，并提供电源智能管理。由于这些系统操作的偶发性，很多情况下，采集能量的时间与随后应用能量的时间之间没有直接关系，也可能需要考虑能量储存。使用的储存方法必须为低压，具有高充电电流和中等放电性能，也可能没有自放电能力。位于系统中心的数字集成电路，必须能够提供远大于处理器的性能，以完成系统任务，同时能够支持低压操作，确保不超过功率预算。另外，集成电路必须足够划算，确保其实施不会对系统的总体费用产生太大影响，否则该系统将由于标价过高，而无法证明已探讨的很多能量采集应用中的部署是合理的。

图2：有效能的谨慎使用

state	状态
operation	操作
RTC & LCD & operation	RTC、LCD与操作
Flash:	闪光：
Mask:	遮罩：
= f (ldd) x V x time = area1 + area2 +…..	= f (ldd) x V x时间 =区域1+区域2+…..
area 1	区域1
time	时间

 

通常，如果需要提升性能水平、获得更大的优化或提高集成度，OEM将考虑采取定制方法，并从项目开始时与特定应用集成电路（ASIC）供应商接洽。但是，由于这种方法要求大量的前期金融投资以支付NRE成本，因此通常不可行。其后必须有足够高的单位体积以收回投资。很多能量采集应用没有足够大的单位体积构成以采用该方法，但是相反，如果沿用仅将现成部件结合在一起的方法，工程师就不太可能最大化系统的效率。更加糟糕的是，开发程序有可能要求大量时间和工程资源。

目前，设计界可以使用第三个选择，提供ASIC有利的技术属性，且无投资和上市时间缺点。该方法结合了一个超低耗的高效微控制器，可以自定义，对预设的IC集成很关键，且必须具有功能块，例如采集界面和电源管理功能、传感器和驱动器界面。卡诺瓦技术公司的ETA平台提供了这方面的实例。基于安森美半导体公司的LC87F7932超低耗微控制器装置（MCU）以及卡诺瓦技术公司ETA平台，这种新的开发工具包为工程师提供了业界认证的可自定义的开发工具包（硬件和软件），以适合特定的应用要求，并因此加强系统的功率/性能特点。ETA平台可完全配置，且能够进行接口，并与市场上最常见的能量采集器相匹配，处理大于0.9 V或（通过使用外部变压器）大于数十毫伏的直流和交流输入。采集的能量能够传输/储存在不同的存储元件中，例如，化学电池、电容器和超级电容器。尽管交付模式不稳定，系统能够通过其有效地管理储能，确保其能够实施节能策略，如同使用嵌入式超低耗可配置的模拟前端，能够在其中完成系统传感器信号的采集和调节，而不需外部MCU的监督。

图3：方框图与ETA平台布局

ANY KIND OF DC HARVESTER	任何种类的直流采集器
ANY KIND OF AC HARVESTER	任何种类的交流采集器
SEVERAL TYPE OF ACTUATORS	若干类型的驱动器
HARVESTING BOOST	采集升压
CHARGER	充电器
HARVESTING CONTROLLER	采集控制器
POWER MNGT CONTROLLER	功率管理控制器
AUXIUARY BOOST	辅助升压
EEPROM/OTP	电可擦只读存储器/过温保护
TIMER AND CONTROLLER	计时器和控制器
C-AFE CONTROLLER ALARM MNGT	C-AFE控制器报警管理
SWITCH MATRIX	开关矩阵
SEVERAL TYPE OF ENERGY STORAGE	若干类型的储能器
STANDARD	标准
SEVERAL TYPE OF SENSORS	若干类型的传感器

 

LC87F7932B MCU是基于CMOS技术的8-bit装置，有一个CPU，以250ns（最小）总线循环时间运行。IC集合了32 千字节机上可编程闪存存储器、2048字节RAM,、芯片调试器、LCD控制器/驱动器、16-bit计时器/计数器，以及实时时钟。当前端完成调节后，12-bit、7信道的低功率模拟数字（ADC）转换器变换所获得的信号。该数字信号然后就可以根据应用通过无线方式进行传输，或存储以便于在稍后阶段提取。

图4：选定的有源组件（红色）实例

Flash Rom	闪速存储器
Peripheral	外围存储器
Ram	随机存储器
Core	核心
LCD Controller, LCD Voltage generator	LCD控制器、LCD电压发生器
RTC (Clock timer)	实时时钟（时钟计时器）
Internal _ VDD	内部_VDD
Oscillator (fast)	振荡器（快速）
Oscillator (middle)	振荡器（中速）
Oscillator (Slow)	振荡器（慢速）
Control_0	控制_0
IDD const	IDD 常量
Amp	放大器

 

总之，能量采集系统设计有诸多大的障碍和难题。工程师需要尽可能地增加处理性能，同时将整体功率预算保持在尽可能低的水平，且不会产生巨大的支出，从中能够证明其为非常具有成本敏感性的应用。必须尽一切努力使用最佳优化的部件，并确保开发程序总体合理。通过应用本文中详细说明的开发平台，基于超低耗MCU体系结构和可配置的定制装置，工程师能够克服这些障碍，从而实现更有效的实施。

卡诺瓦技术公司ETA平台

安森美半导体LC87F7932B MCU功能方块图

part 0	部件0
Timer 0	计时器0