論能量采集實施時的超低耗需求

作者:Bruno Damien(安森美半導體)與Andrea Colognese(卡諾瓦技術)

近年來,能量采集主題在電子設計界內引起了極大的興趣。通過該程序能夠捕獲、采集到少量能量,然后被電子設備元件所使用,能夠完成簡單的任務,而不需在系統設計中嵌入常規電源。但是,為了有效實施,在規定的組成部件以及系統布局方面,該系統需要以最大可能的效率水平進行操作。下文將討論多項技術難題,并說明創新性數字、模擬和電源管理半導體技術在克服這些技術難題方面是如何發揮關鍵作用。

目前,使用能量采集(或挖掘)技術的應用包括樓宇自動化系統、遠程監視器/數據采集裝置,以及無線傳感器網絡。由于采集技術不依賴于常規的電源形式,因而具有兩個關鍵的生態效益。首先,它不會導致化石燃料儲量耗竭;其次,不會加劇污染程度(原因是不會產生碳排放,也不用一次性電池)。除了省去接線或電纜布線需求以及由此產生的便利性,原始設備制造(OEM)和系統集成商此類實施的實際優勢在于,一旦安裝到位,由于沒有費用單或要求跳閘以更換電池的高額費用等,其實際上沒有日常運轉費用。

采集所需能量

從環境中采集能量的方法很多(取決于最適合具體應用設置的方法),產生的功率水平通常在10 µW至400 µW范圍內。在使用的機制中,存在溫度差、動力(通常通過振動運動)、太陽能、壓電效應、熱電效應和電磁效應。但是,太陽能有可能成為例外,能量采集是“免費”能量的觀點不完全準確。基于振動或熱梯度的能源利用該系統的大量能源垃圾,因此需要納入維修和維護成本。

圖1:現實世界應用的能源范圍指示

Increasing use of EH

增加EH使用

WSN Sleep Process Transmit

WSN睡眠過程傳輸

μP desktop

μP臺式電腦

μP laptop

μP筆記本電腦

Bicycle lighting

自行車照明

PALM, MP3

PALM、MP3

Transceiver Bluetooth

收發器藍牙

Miniature FM Receiver

微型調頻接收機

Hearing aid

助聽器

RFID Tag

無線射頻識別標簽

Electronic watch or calculator

電子表或計算器

32 KHz quartz oscillator

32 KHz石英振蕩器

Standby

備用

Source IDTechEx report “Energy Harvesting and Storage for Electronic Devices 2009-2019”

來源:IDTechEx “2009年至2019年電子設備能量采集和儲存”報告

Button batteries AA or AAA large rechargeable

紐扣電池

AA或AAA

大型可充電電池

 

通過采集程序產生的電源可有很多種用途,例如:

  1. 開關(樓宇自動化)-用于打開或關閉開關的機械力足以產生數毫焦(mJ)的能量,以運行無線傳輸器,發送一個射頻信號來驅動門插銷或燈。由于不需要接線,該方法便于操作且美觀實用。

2.   溫度傳感器(樓宇自動化)-環境空氣與加熱器之間的溫差能夠提供所需電源,采用無線方式將溫度數據發回至調節系統。

3.   空氣調節(樓宇自動化)-通過電磁感應,可以利用空氣調節系統管道的振動產生的電信號,也能夠通過該信號控制空氣調節。

4.   遠程監控(工業/環境)-可以是無人監控的氣象站、化工廠氣體傳感系統或海嘯報警系統。一塊太陽能電池或小型風力渦輪機就可提供所需能量。

5.   醫學植入體(醫療保健)-例如血糖監測儀,通過熱量或身體運動。放在病人皮膚上的低功耗無線收發器將數據反饋至中樞,且無需任何電池(以此提高病人的舒適度,并降低產生的不便)。

6.   手表(消費者)-能夠使用太陽能或動能運行無電池的計時器。

7.   輪胎氣壓監測(TPMS,自動的)-使用表面聲波(SAW)傳感技術,能夠避免因安裝支持每個車輪上溫度/壓力傳感器所需的電池和復雜電子設備而產生的問題,以此降低材料清單費用和所需的工程資源。

系統設計要素

僅電源的µW發揮作用時,盡可能對其充分利用顯然至關重要。工程師需要努力工作以避免損耗。這涉及硬件和軟件的考量,能夠通過實施高效的組成部件以及確保完全的設計優化來實現。電子系統必須由低壓電路組成,并提供電源智能管理。由于這些系統操作的偶發性,很多情況下,采集能量的時間與隨后應用能量的時間之間沒有直接關系,也可能需要考慮能量儲存。使用的儲存方法必須為低壓,具有高充電電流和中等放電性能,也可能沒有自放電能力。位于系統中心的數字集成電路,必須能夠提供遠大于處理器的性能,以完成系統任務,同時能夠支持低壓操作,確保不超過功率預算。另外,集成電路必須足夠劃算,確保其實施不會對系統的總體費用產生太大影響,否則該系統將由于標價過高,而無法證明已探討的很多能量采集應用中的部署是合理的。

圖2:有效能的謹慎使用

state

狀態

operation

操作

RTC & LCD & operation

RTC、LCD與操作

Flash:

閃光:

Mask:

遮罩:

= f (ldd) x V x time

= area1 + area2 +…..

= f (ldd) x V x時間

=區域1+區域2+…..

area 1

區域1

time

時間

 

通常,如果需要提升性能水平、獲得更大的優化或提高集成度,OEM將考慮采取定制方法,并從項目開始時與特定應用集成電路(ASIC)供應商接洽。但是,由于這種方法要求大量的前期金融投資以支付NRE成本,因此通常不可行。其后必須有足夠高的單位體積以收回投資。很多能量采集應用沒有足夠大的單位體積構成以采用該方法,但是相反,如果沿用僅將現成部件結合在一起的方法,工程師就不太可能最大化系統的效率。更加糟糕的是,開發程序有可能要求大量時間和工程資源。

目前,設計界可以使用第三個選擇,提供ASIC有利的技術屬性,且無投資和上市時間缺點。該方法結合了一個超低耗的高效微控制器,可以自定義,對預設的IC集成很關鍵,且必須具有功能塊,例如采集界面和電源管理功能、傳感器和驅動器界面。卡諾瓦技術公司的ETA平臺提供了這方面的實例。基于安森美半導體公司的LC87F7932超低耗微控制器裝置(MCU)以及卡諾瓦技術公司ETA平臺,這種新的開發工具包為工程師提供了業界認證的可自定義的開發工具包(硬件和軟件),以適合特定的應用要求,并因此加強系統的功率/性能特點。ETA平臺可完全配置,且能夠進行接口,并與市場上最常見的能量采集器相匹配,處理大于0.9 V或(通過使用外部變壓器)大于數十毫伏的直流和交流輸入。采集的能量能夠傳輸/儲存在不同的存儲元件中,例如,化學電池、電容器和超級電容器。盡管交付模式不穩定,系統能夠通過其有效地管理儲能,確保其能夠實施節能策略,如同使用嵌入式超低耗可配置的模擬前端,能夠在其中完成系統傳感器信號的采集和調節,而不需外部MCU的監督。

3:方框圖與ETA平臺布局

ANY KIND OF DC HARVESTER

任何種類的直流采集器

ANY KIND OF AC HARVESTER

任何種類的交流采集器

SEVERAL TYPE OF ACTUATORS

若干類型的驅動器

HARVESTING BOOST

采集升壓

CHARGER

充電器

HARVESTING CONTROLLER

采集控制器

POWER MNGT CONTROLLER

功率管理控制器

AUXIUARY BOOST

輔助升壓

EEPROM/OTP

電可擦只讀存儲器/過溫保護

TIMER AND CONTROLLER

計時器和控制器

C-AFE CONTROLLER ALARM MNGT

C-AFE控制器報警管理

SWITCH MATRIX

開關矩陣

SEVERAL TYPE OF ENERGY STORAGE

若干類型的儲能器

STANDARD

標準

SEVERAL TYPE OF SENSORS

若干類型的傳感器

 

LC87F7932B MCU是基于CMOS技術的8-bit裝置,有一個CPU,以250ns(最小)總線循環時間運行。IC集合了32 千字節機上可編程閃存存儲器、2048字節RAM,、芯片調試器、LCD控制器/驅動器、16-bit計時器/計數器,以及實時時鐘。當前端完成調節后,12-bit、7信道的低功率模擬數字(ADC)轉換器變換所獲得的信號。該數字信號然后就可以根據應用通過無線方式進行傳輸,或存儲以便于在稍后階段提取。

4:選定的有源組件(紅色)實例

Flash Rom

閃速存儲器

Peripheral

外圍存儲器

Ram

隨機存儲器

Core

核心

LCD Controller, LCD Voltage generator

LCD控制器、LCD電壓發生器

RTC (Clock timer)

實時時鐘(時鐘計時器)

Internal _ VDD

內部_VDD

Oscillator (fast)

振蕩器(快速)

Oscillator (middle)

振蕩器(中速)

Oscillator (Slow)

振蕩器(慢速)

Control_0

控制_0

IDD

const

IDD

常量

Amp

放大器

 

總之,能量采集系統設計有諸多大的障礙和難題。工程師需要盡可能地增加處理性能,同時將整體功率預算保持在盡可能低的水平,且不會產生巨大的支出,從中能夠證明其為非常具有成本敏感性的應用。必須盡一切努力使用最佳優化的部件,并確保開發程序總體合理。通過應用本文中詳細說明的開發平臺,基于超低耗MCU體系結構和可配置的定制裝置,工程師能夠克服這些障礙,從而實現更有效的實施。

卡諾瓦技術公司ETA平臺

安森美半導體LC87F7932B MCU功能方塊圖

part 0

部件0

Timer 0

計時器0

 

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