因應(yīng)能量收集應(yīng)用的超低功率需求

作者：安森美半導(dǎo)體Bruno Damien及Canova Tech公司Andrea Colognese

近年來，能量收集(energy harvesting)話題在電子設(shè)計(jì)群體內(nèi)獲得了廣泛關(guān)注。通過能量收集過程，能夠捕獲、收集然后透過電子設(shè)備來利用小批量的能量，從而能夠完成簡(jiǎn)單的任務(wù)，而無須在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中集成傳統(tǒng)電源。然而，為了有效地實(shí)現(xiàn)能量收集，系統(tǒng)需要以盡可能較高的能效等級(jí)工作，不管是系統(tǒng)規(guī)定的構(gòu)成元件，還是系統(tǒng)布設(shè)的方式，都是如此。下文將討論能量收集應(yīng)用的幾項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)，以及創(chuàng)新的數(shù)字、模擬及電源管理半導(dǎo)體技術(shù)怎樣發(fā)揮關(guān)鍵作用來克服這些挑戰(zhàn)。

如今在利用能量收集(或清理)的應(yīng)用包括建筑物自動(dòng)化系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)視器/數(shù)字采集設(shè)備及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。由于能量收集并不依賴于傳統(tǒng)形式的電源，它有兩種關(guān)鍵的生態(tài)優(yōu)勢(shì)。首先，它不會(huì)導(dǎo)致任何化石燃料儲(chǔ)備的耗盡；其次，它不會(huì)增加污染等級(jí)(因?yàn)闆]有相應(yīng)的碳排放或用后丟棄的電池)。除了免去繞線或線纜之需并因此提供便利性，對(duì)于原設(shè)備制造商(OEM)和系統(tǒng)集成商而言，這類應(yīng)用的真正優(yōu)勢(shì)在于，一旦真正就位，它實(shí)際上不會(huì)產(chǎn)生日常運(yùn)行成本，因而不會(huì)收到公用事業(yè)機(jī)構(gòu)的賬單或是成本高昂的替換電池上門服務(wù)等。 

提取所要求的能量 

可以采取多種方式來從環(huán)境中收集能量(取決于何種方式被證實(shí)較適合于特定應(yīng)用背景)，產(chǎn)生的功率等級(jí)通常在10 μW至400 μW區(qū)間。 采用的機(jī)制包括溫差、動(dòng)力學(xué)(主要通過振動(dòng)運(yùn)動(dòng))、太陽能、壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)及電磁。然而，可能除了太陽能外，有關(guān)能量采集是“免費(fèi)”能量的認(rèn)知并不是完全準(zhǔn)確。其于振動(dòng)或溫度梯度的能源利用了大量源自系統(tǒng)的浪費(fèi)能量。因此，須顧及維修及維護(hù)成本因素。

圖 1 : 真實(shí)世界應(yīng)用的功率范圍

通過收集過程產(chǎn)生的能量可以用于多種方式，例如： 

1. 開關(guān)(建筑物自動(dòng)化) – 施加在開關(guān)上使其導(dǎo)通或關(guān)閉的機(jī)械力足以產(chǎn)生相當(dāng)于數(shù)毫焦耳(mJ)的能量來運(yùn)行無線收發(fā)器。這種方式發(fā)送射頻(RF)信號(hào)來啟動(dòng)門鎖或燈。這種方式由于不需要繞線，故提供后勤維護(hù)及審美上的效果。

2. 溫度傳感器(建筑物自動(dòng)化) – 環(huán)境空氣與加熱器之間的溫差能提供將溫度數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)送回給調(diào)節(jié)系統(tǒng)所需的能量。

3. 空調(diào)(建筑物自動(dòng)化) – 空調(diào)導(dǎo)管的振動(dòng)能用于通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生電氣信號(hào)�？照{(diào)可以通過此信號(hào)來控制。

4. 遠(yuǎn)程監(jiān)控(工業(yè)/環(huán)境) – 其形式可能是無人值守氣象臺(tái)、化工廠的氣體感測(cè)系統(tǒng)、海嘯警示系統(tǒng)等。太陽能電池或小型風(fēng)力渦輪機(jī)可以提供所要求的能量。

5. 醫(yī)療植體(保健) – 諸如血糖監(jiān)測(cè)儀，此類應(yīng)用中，熱量或人體活動(dòng)使置于病人皮膚上的低功率無線收發(fā)器能夠?qū)��?shù)據(jù)反饋至診療中心，而無需包含電池(因而提升病人的舒適度，并減少不便利體驗(yàn))。 

6. 手表(消費(fèi)) – 太陽能或運(yùn)動(dòng)能量能用于支援無電池手表的工作。

7. 胎壓監(jiān)測(cè)(TPMS，汽車應(yīng)用) – 使用表面聲波(SAW)傳感技術(shù)， 有可能規(guī)避因安裝電池及在各個(gè)汽車輪胎上配合溫度/壓力傳感器所需的復(fù)雜電子電路產(chǎn)生的問題，因而縮短物料單(BOM)成本及所需的工程資源。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮因素

由于要處理的能量?jī)H為微瓦(μW)級(jí)，顯而易見的是，采取一切可能的措施來較充分利用能量至關(guān)重要。工程師需要努力工作以避免浪費(fèi)。這涉及到硬件及軟件考慮因素，能夠通過應(yīng)用高能效的元器件及確保充分的設(shè)計(jì)優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)。至關(guān)重要的是，電子系統(tǒng)包含由智能電源管理組成的低壓電路�？赡苓�需要考慮到能量存儲(chǔ)問題，因?yàn)檫@些系統(tǒng)工作的零散(sporadic)屬性表示，在許多情況下，能量被采集的時(shí)間與能量后來被利用的時(shí)間之間沒有直接關(guān)聯(lián)。使用的存儲(chǔ)方法必須采用低壓工作，并帶有大充電電流能力、適當(dāng)?shù)姆烹娔芰Γ�以及很可能完全無自放電能力。處于系統(tǒng)核心的數(shù)字IC必須能夠提供超足量的處理器性能，以承擔(dān)系統(tǒng)工作，同時(shí)還要能夠配合低壓工作，從而不超過功率預(yù)算。此外，這數(shù)字IC的性價(jià)比必須足夠高，使其應(yīng)用不會(huì)太過于影響跟系統(tǒng)相關(guān)的總體支出，否則的系統(tǒng)的價(jià)格會(huì)太高，無法部署在前方論及的許多能量收集應(yīng)用中。 

圖 2 : 謹(jǐn)慎利用可用能源

通常情況下，如果有需要增強(qiáng)性能等級(jí)、提供更大程度的優(yōu)化或提高集成度，OEM就會(huì)考慮采取定制方法，從項(xiàng)目開始就與專用集成電路(ASIC)供應(yīng)商合作。不利的是，這種方法并不總是可行，因?yàn)樗�要求大量的前期�?cái)務(wù)投資以支付一次性工程(NRE)成本，隨后還必須有足夠大的批量以收回投資。許多能量收集應(yīng)用并沒有足夠大的批量來采取這種方法，但另一方面，在后續(xù)流程上僅是將現(xiàn)成元件布設(shè)到一起的工程師很可能無法將系統(tǒng)能效提升至較高。令情況更糟糕的是，開發(fā)過程很可能要求大量的時(shí)間和工程資源。

設(shè)計(jì)社群如今有了第三種選擇，這種選擇提供ASIC有利的技術(shù)屬性，但又沒有ASIC上投資及上市時(shí)間方面的缺點(diǎn)。這種方法結(jié)合了超低功率微控制器(MCU)及高能效、可隨時(shí)定制和預(yù)定義的IC；這樣的IC集成關(guān)鍵及必不可少的模塊，如采集接口及電源管理功能、傳感器及智動(dòng)器接口。Canova Tech的ETA平臺(tái)就提供了這樣一個(gè)實(shí)例。這種新的開發(fā)套件基于安森美半導(dǎo)體的LC87F7932超低功率MCU和Canova Tech的ETA平臺(tái)，為工程師提供獲得業(yè)界證明、可以被定制(硬件及軟件)的開發(fā)套件，以滿足特定應(yīng)用要求，因而增強(qiáng)系統(tǒng)的功率/性能特性。ETA平臺(tái)完全可配置，能夠連接及匹配市場(chǎng)上大多數(shù)能量采集器，處理高于0.9 V的直流 及交流輸入電壓，或者在使用外部變壓器的條件下，處理大于數(shù)十毫伏(mV)的電壓。收集的能量能夠采用不同存儲(chǔ)元件來傳遞/存儲(chǔ)，如化學(xué)電池、電容及超級(jí)電容。通過存儲(chǔ)元件，系統(tǒng)能夠有效地管理積累的能量，而無論采用的是哪種不規(guī)則的提供模式，使系統(tǒng)能夠應(yīng)用省電策略，如使用嵌入式超低功率可配置模擬前端，此前端能夠進(jìn)行系統(tǒng)傳感器信號(hào)的采集和調(diào)理，而無須外部MCU的監(jiān)控。 

圖3 : ETA平臺(tái)的框圖及布線圖。

LC87F7932B MCU是一款采用CMOS技術(shù)的8位器件。它包含以250 ns(較小值)總線周期時(shí)間工作的中央處理器(CPU)。這IC集成了32 KB板上可編程閃存、2,048字節(jié)RAM、片上調(diào)試器、LCD控制器/驅(qū)動(dòng)器、16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器及實(shí)時(shí)時(shí)鐘。它的12位7通道低功率模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)在前端完成了信號(hào)調(diào)理后，轉(zhuǎn)換采集到的信號(hào)。然后，此數(shù)字信號(hào)能夠以無線方式傳輸或存儲(chǔ)，用于根據(jù)應(yīng)用來在后續(xù)段提取。

圖4 : 選擇的有源模塊示例(紅色)

總而言之，能量采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及到多種重要障礙及挑戰(zhàn)。工程師需要盡可能多地提升處理性能，同時(shí)將總體功率預(yù)算保持在較低等級(jí)，而且在可能被證實(shí)對(duì)成本極敏感的應(yīng)用中不大幅增加支出。必須竭盡所能，使用較優(yōu)的元器件，并確保完全理順開發(fā)過程。通過使用本文詳細(xì)介紹的基于超低能耗MCU架構(gòu)和可配置及可定制器件的開發(fā)平臺(tái)，工程師能夠克服這些障礙，并因而提供更有效的方案。

Canova Techs ETA平臺(tái)

安森美半導(dǎo)體LC87F7932B MCU的功能框圖

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