休眠能量收集設計的上電順序管理

從長(cháng)期存儲展開(kāi)時(shí)的設計搭載環(huán)境能量面臨獨特的挑戰。沒(méi)有可用的能源儲備，這些設計必須遵循謹慎序列單獨的電路元件，特別是設備，如微控制器(MCU)，可以在初始化過(guò)程中表現出顯著(zhù)電力需求開(kāi)機的。對于工程師，從“冷啟動(dòng)”成功電的MCU為基礎的能源采集的設計成為與電壓監控和專(zhuān)門(mén)能量采集裝置的組合，從制造商包括Analog Devices公司，凌力爾特，美信集成的應用程序更容易，微芯片技術(shù)，Silicon Labs公司和德州儀器等等。

對于設計搭載環(huán)境來(lái)源，波動(dòng)能量水平往往決定了使用能量?jì)Υ嫜b置，如可再充電電池或超級電容器通過(guò)能量的峰和谷，以維持額定功率的可用性。然而，用于從存儲取或以其它方式離開(kāi)無(wú)能量的時(shí)間過(guò)長(cháng)源的能量采集設計，一些實(shí)用的能量存儲設備將能夠在這些時(shí)期，以保持足夠的電荷以允許快速恢復電路的操作。因此，設計者將需要采用旨在確保電過(guò)程順利地進(jìn)行的策略。在許多情況下，簡(jiǎn)單地暴露休眠電路到其周?chē)碾娫磳⒉蛔阋钥煽康鼗謴筒僮?。事?shí)上，作為動(dòng)力水平開(kāi)始上升，這些設計必須保證有足夠的功率可支持高耗電設備，如MCU和無(wú)線(xiàn)收發(fā)器正確的初始化。

上電復位

對于一個(gè)線(xiàn)路供電的設計或一種繪圖功率從一個(gè)高能量的光源，電路初始化的更精細的細節很少的問(wèn)題。即使有足夠的可用功率，然而，電路需要仔細排序，以確保所需的其它元素的塊完全初始化并在使用前供電。在典型的基于MCU的設計，簡(jiǎn)單的上電復位IC，例如ADI公司ADM6711和ADM6713，Microchip的技術(shù)TCM809和德州儀器TLV803提供電源復位時(shí)序和電壓監控的處理器(圖1)。

ADI公司ADM6711和ADM6713圖片

圖1：上電復位IC，例如ADI公司ADM6711和ADM6713提供簡(jiǎn)單的解決方案，電源排序的微控制器。該ADM6711擁有一個(gè)推挽輸出，無(wú)需額外的外部元件，而ADM6713提供漏極開(kāi)路輸出，需要一個(gè)外部上拉電阻，并允許超過(guò)VCC連接電壓等級。 (Analog Devices公司提供)

在此類(lèi)裝置通常監控電源電壓，并提供上電，斷電復位信號，并且每當電源電壓下降到低于預設閾值。這些類(lèi)型的設備典型地包括100內置的延遲 - 200毫秒產(chǎn)生復位信號，以允許電源電壓給處理器重新啟動(dòng)之前穩定之前。凌力爾特的LTC2935擴展這些基本功能與附加功能，其中包括早期預警電源故障輸出，當電源電壓下降到略高于最終復位閾值的閾值的信號。事實(shí)上，工程師們可以找到各種各樣的復雜的權力監督功能電壓監控器集成電路。

對于設計，搭載低能量來(lái)源環(huán)境，但是，以確?？煽康碾娐芳せ顝睦鋯?dòng)可能需要超越簡(jiǎn)單加電復位功能更為復雜的方法。例如，即使作為收獲電路工作累積足夠的能量，漏電流，或亞閾值電路的激活，復雜設備，諸如微控制器已經(jīng)可以排水能力，增加以達到閾啟動(dòng)水平所需要的時(shí)間，或在最壞的情況下，防止它完全。

功率消耗

在微控制器，參與設備啟動(dòng)內部電路可以開(kāi)始激活遠低于電源接通的閾值，從而導致一個(gè)顯著(zhù)功率消耗甚至在這個(gè)早期階段(圖2)。在非采集應用，如果電源電壓接通迅速，這個(gè)電流消耗僅登記在功率曲線(xiàn)曇花一現。在冷起動(dòng)能量采集應用，然而，在電源電壓可能上升很慢，這個(gè)電流可以成為顯著(zhù)，甚至排水能力比收獲電路快可以從它的環(huán)境源提取能量。在這種最壞的情況，但是合理的情況下，系統可能不會(huì )到達功率閾值。

Silicon Labs的小壁虎微控制器的電流分布的圖像

圖2：即使在超低功耗MCU，內部電路看家開(kāi)始吸取功率以及之前電源達到上電門(mén)檻 - 潛在地降低了能量收集設計的，從低能量環(huán)境資源的能力，以冷啟動(dòng)。這種電流分布顯示了從Silicon Labs的小壁虎微控制器作為電源VDD接近電流測量。 (Silicon Labs公司提供)

此外，當電源達到上電閾值時(shí)，設計必須確保足夠的能量可通過(guò)他們的功率初始化階段并進(jìn)入正常操作，以維持電路元件。復雜的設備，如MCU可表現出上電過(guò)程中比較高的電力需求。例如，當無(wú)動(dòng)力的時(shí)間周期長(cháng)，去耦電容器將完全放電。當電源電壓被接通時(shí)，去耦電容將首先出現短路和電流的流動(dòng)將僅由在電力線(xiàn)的電阻和電感的限制。

除了這些瞬態(tài)效應，MCU和其他復雜設備的初始化要求，可能會(huì )導致顯著(zhù)電力需求。例如，即使在編程上電復位立即進(jìn)入睡眠模式時(shí)，Silicon Labs的小壁虎微控制器吸引約400毫安300微秒 - 由MCU所需的時(shí)間從電源復位過(guò)渡到它的能源模式1(EM1)睡眠狀態(tài)(圖3)。

對Silicon Labs的小壁虎微控制器的啟動(dòng)功率要求圖片

圖3：MCU啟動(dòng)功率要求可以達到顯著(zhù)的水平，因為設備帶來(lái)了外圍設備，存儲器，I / O緩沖器和處理器核心電路。在此測量啟動(dòng)過(guò)程中所需的功率時(shí)，Silicon Labs的小壁虎微控制器吸引了300微秒這種快速的處理器，需要從電源復位過(guò)渡到睡眠狀態(tài)，EM1約4毫安。 (Silicon Labs公司提供)

為了防止MCU從能量存儲設備之前排出采集的能量已經(jīng)建立了足夠的儲備安全地電的MCU，一個(gè)開(kāi)關(guān)可以收獲電路和MCU之間插入。實(shí)際上，電路設計人員可以使用電壓監控集成電路如上面提到的那些，以控制用于直到功率達到額定值的范圍從供給軌脫開(kāi)MCU中的邏輯電平選通MOSFET開(kāi)關(guān)的柵極。

事實(shí)上，在能量收集設計成功電順序臨界功率在能量存儲裝置中累積取決于諸如可充電電池或超級電容器。因此，來(lái)自能量收集子系統輸出功率通常是最重要的是施加到確保這些設備被充滿(mǎn)電。對于這個(gè)功能，專(zhuān)門(mén)IC，如ADI公司ADP5090，凌特LTC3331，美信集成MAX17710和德州儀器BQ25570提供了有效的解決方案，結合能量收集功能，帶有片上電路充電鋰離子電池或超級電容器。

結論

造就了一個(gè)能量收集設計從“冷啟動(dòng)”需要認真注意電壓等級和累積能量的電流容量。如果沒(méi)有MCU和其他設備大型開(kāi)辦功率要求認真電源排序，功率從環(huán)境能源可收獲的啟動(dòng)順序完成之前，甚至造成初創(chuàng )嘗試和失敗的重復周期被耗盡。使用可用上電復位，電壓監視和儲能充電器集成電路的組合，工程師可以確保其設計可靠完成相對復雜的通電序列而從即使是低能量的環(huán)境來(lái)源收獲的能量。