低功耗MCU為能量收集應用

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低功耗MCU為能量收集應用

采集的能量作為動(dòng)力源已經(jīng)講了，甚至實(shí)行小規模多年。只是最近有一些關(guān)鍵電子部件 - 微控制器和射頻收發(fā)器，特別是 - 達到發(fā)展的階段中，所消耗的功率相當于限電從收集技術(shù)。

遠程傳感器節點(diǎn)是物聯(lián)網(wǎng)(IOT)網(wǎng)絡(luò )中不可或缺的元素 - 尋求主流能源收集解決方案也得到了一個(gè)“殺手級應用”的到來(lái)加速。雖然這些節點(diǎn)可以是復雜的設計，它們都具有四個(gè)組件中共同 - 一個(gè)MCU，一個(gè)傳感器，收割機，和RF收發(fā)器。傳感器節點(diǎn)需要的能量源，但它往往是不切實(shí)際的它們連接到電力網(wǎng)。類(lèi)似地，定期改變標準的堿性電池被認為是令人望而卻步的勞動(dòng)成本，因為節點(diǎn)通常廣泛分布。

能量?jì)Υ媸峭ǔＴ诖蠖鄶登闆r下，少量的能量收獲必須存儲并在需要時(shí)所使用的系統，以及因為一部分。這增加了可再充電電池系統。其它公共組件包括一個(gè)電源管理芯片，和信號調節電路，在最起碼處理模擬 - 數字(ADC)的數據轉換。一個(gè)典型的傳感器系統搭載收獲能量如圖1所示。

Silicon Labs的能量采集傳感器節點(diǎn)的圖像

圖1：能源采集傳感器節點(diǎn)。 (Silicon Labs公司提供)

之前考慮的幾個(gè)這些系統的更重要的設計方面，值得以具有通過(guò)各種形式的收獲可以多少能量提供一些想法。

考生可以分為四大類(lèi)：震動(dòng)，溫差，光照和RF。如圖2，環(huán)境室外光(太陽(yáng)能)和振動(dòng)工業(yè)機器提供的超過(guò)其它來(lái)源大約三個(gè)數量級的一個(gè)優(yōu)點(diǎn) - 但不是所有的應用程序要求多的能量。

圖2：能量采集源。 (德州儀器提供)

盡管存在分歧，光伏，運動(dòng)和熱收獲有幾個(gè)共同點(diǎn)：他們產(chǎn)生不穩定的電壓，而不是穩定的3.3 V或1.8 V設計工程師有時(shí)會(huì )覺(jué)得理所當然;和他們提供間歇功率(有時(shí)沒(méi)有供電)，這是對于包括可再充電電池的原因。

設計注意事項

沒(méi)有少于五芯片企業(yè)與MCU產(chǎn)品線(xiàn)創(chuàng )造了能量收集解決方案。它們包括：德州儀器，意法半導體，Silicon Labs公司，恩智浦半導體和Microchip的技術(shù)。通常情況下，他們提供自己的微控制器，傳感器，收發(fā)器和模擬芯片的一些組合，但與第三方公司以科技為能量收集器的合作伙伴。

從設計的角度來(lái)看，第一個(gè)步驟是選擇的組件，這將滿(mǎn)足應用的功率目標。關(guān)鍵因素包括：一個(gè)非常低待機電流;非常低有源功耗;并能夠工作和待機模式之間極其快速切換。

是能夠工作和待機模式之間快速切換的值不是立竿見(jiàn)影，但它可以對能源消耗產(chǎn)生深遠的影響，因為能量基本上是浪費，而該設備的過(guò)渡，從待機到活動(dòng)模式。

能量數據采集過(guò)程中消耗的是在傳感器系統的一個(gè)重要的考慮因素。如果應用程序需要顯著(zhù)的處理能力 - 一個(gè)健康監測設備，例如 - 微控制器基于A(yíng)RM之一的Cortex-M內核是一個(gè)顯而易見(jiàn)的選擇。這些32位MCU，其實(shí)是可以很省電，因為內核具有的功能和指令集的功能，工程師們可以比較輕松地利用。對于超低功耗應用中，Cortex-M節能模式2(EM2)，并等待換事件(WFE)指令特別有用。

WFE幾乎是不言自明的。代替連續輪詢(xún)時(shí)，CPU等待到發(fā)生特定事件。包括ARM在Cortex-M的指令集WFE指令。

該EM2深度睡眠模式使MCU提供自主運行的高度，同時(shí)保持能源消耗低。核心的高頻振蕩器被關(guān)斷，但低能量外設可以繼續訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)32千赫振蕩器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘。在這些條件下，在CPU不運行 - 因此MCU實(shí)際執行在睡眠模式中高級操作。功率消耗在EM2為0.9微安。

讓我們來(lái)看看的Cortex-M為基礎的方案進(jìn)行數據采集。

ARM Cortex-M的特點(diǎn)

常規的方式進(jìn)行數據采集是觸發(fā)ADC捕獲與一個(gè)計時(shí)器和過(guò)DMA總線(xiàn)傳輸數據。使用Silicon Labs的神奇壁虎EFM32WG230F256-QFN64作為示例，可以預期的電流消耗為165微安以1 K個(gè)采樣/ s的采集速率和350微安為32千樣本/秒。雖然這種技術(shù)充分利用周邊的互動(dòng)，它不使用任何特殊的MCU或指令集功能。結果由紅線(xiàn)在圖3所示圖形的范圍內采集速率的。

第二個(gè)選項(標識為圖3中的綠線(xiàn))通過(guò)利用EM2保持MCU待機直到中斷喚醒它降低了能耗。中斷可以由任何數量的事件，包括一個(gè)特殊的定時(shí)器，經(jīng)營(yíng)而核心處于EM2模式被觸發(fā)。該功能使MCU可以回到全速工作，在短短2微秒。該MCU吸引0.9μA在EM2模式下的待機電流。這優(yōu)化了超低功耗模式所花費的時(shí)間和降低電流的要求，在1 K個(gè)樣本/秒采集到60μA - 一個(gè)顯著(zhù)改進(jìn)的選項之一。該技術(shù)是適合于中斷驅動(dòng)的應用程序，但根據具體情況也有更多的機會(huì )，以減少能源消耗。

EM2采用的依然是第三個(gè)選項(藍線(xiàn)圖3) - 但不是等待中斷，它采用了Cortex-M指令集的等待事件(WFE)指令。 WFE使MCU可以向外部或內部事件做出響應例如由中斷產(chǎn)生。代替使從主回路的過(guò)渡到一個(gè)中斷的，但是，在MCU從EM2喚醒并簡(jiǎn)單地執行下一條指令，這消除了中斷延遲。這種方法是不適合于所有應用。然而，當它可以用于功率消耗降到小于20微安，實(shí)現了1 K個(gè)采樣/ s的數據采集速率。

Silicon Labs的電流消耗與采樣頻率的圖像

圖3：消耗電流采樣頻率。 (Silicon Labs公司提供)

當三個(gè)選項被認為過(guò)采樣率的范圍，如圖3中，一個(gè)有趣的結果是觀(guān)察。有些情況下，傳統的第一選擇實(shí)際上產(chǎn)生比兩個(gè)節能選項更好的效果交叉點(diǎn)。在中斷方式的情況下(選擇2)交叉發(fā)生在4 kHz的采樣率。在WFE方法的情況下，交叉是在20千赫抽樣率。還應當指出的是，大多數的應用程序都與能量收集可行，數據采集速率是相當低的。

混合信號微控制器

微控制器基于32位ARM Cortex-M內核，當然，不是為能量收集應用程序的唯一選擇。許多可與8位和16位MCU，往往更熟悉嵌入式設計工程師以及作為較便宜的順利實(shí)施。

Silicon Labs的8位的C8051F9xx超低功耗8位微控制器系列和Microchip的超低功耗(XLP)系列16位微控制器都調整為超低功耗性能。這是很難進(jìn)行直接的性能比較，因為企業(yè)通常使用不同的方法和假設，以在性能指標到達。不過(guò)，這兩家公司提供零件的休眠電流下降到低至約10μA，令人印象深刻的有功功率的性能和功能，如從睡眠狀態(tài)的快速轉換到活動(dòng)狀態(tài)。

當涉及到剪裁功耗可從收集解決方案的能源，交通是一樣的MCU一樣重要。一些MCU廠(chǎng)商都在片上集成射頻功能。 Microchip提供了一系列的MCU與以未經(jīng)授權的ISM頻段310930 MHz的集成解決方案。最通用的是PIC12LF1840T39A，它在四個(gè)子帶：310，433，868，和915兆赫。

Silicon Labs的Si10xx無(wú)線(xiàn)MCU系列產(chǎn)品還結合了超低功耗MCU用的sub-GHz RF收發(fā)器。家庭地址的低功率需要諸如傳感器節點(diǎn)的RF雙向通信鏈路的嵌入式系統的具體要求。既高性能功率放大器和低噪聲放大器被集成在芯片上。鏈路預算為146分貝。

德州儀器還派出無(wú)線(xiàn)微控制器進(jìn)行通信在子千兆赫的ISM頻段。該CC430F513x系列為例，結合了TI的CC1101低于1 GHz的射頻收發(fā)器，其16位MSP430 CPUXV2核心，最多為32 KB的系統內可編程閃存，多達4個(gè)內存KB等多種功能，其中包括12位ADC，6個(gè)外部輸入。它工作在相同的四個(gè)子頻帶：310，433，868，和915兆赫。

雖然子千兆赫的解決方案可能是最適合于物聯(lián)網(wǎng)應用，藍牙和其他基于標準的選項。大多數公司還提供在品牌名稱(chēng)獨有的集成解決方案，如的MiWi(微芯)，SimpleLink(德州儀器)，和EZRadio(Silicon Labs公司)。

儲能

能量采集應用程序可以使用固態(tài)電池作為能源的備份源時(shí)從收割機中可用的能量不符合系統的其余部分的直接功率要求。

Cymbet的是公司提供這些解決方案之一。它的EnerChip可充電固態(tài)智能電池(辦學(xué)團體)可以從大多數類(lèi)型的收割機的存儲能量。采用表面貼裝技術(shù)(SMT)封裝，該器件可提供備用電源，從幾個(gè)小時(shí)到依靠備用系統的電流要求幾個(gè)星期。

熟悉的設計師，其充電固態(tài)電池(該產(chǎn)品采用電源失效檢測和自動(dòng)切換)公司擁有的EnerChip RTC評估套件結合了CBC34123的EnerChip RTC，恩智浦PCF2123實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)，一加電管理電路和固態(tài)可充電的EnerChip可以提供長(cháng)達30小時(shí)的備用電源，RTC的。只有電路板空間0.25平方厘米組合解決方案占據。

該套件基于PC的軟件應用程序通過(guò)U盤(pán)進(jìn)行通信。用戶(hù)可以設置時(shí)間，日期，和倒數計時(shí)器值的時(shí)間來(lái)試驗RTC備用電源。該應用程序還允許到RTC的用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)登記用于查看和修改。

該公司已與一些MCU供應商，包括瑞薩，德州儀器，以及微芯科技創(chuàng )造完整的能量采集解決方案。

Microchip的XLP 16位能量收集開(kāi)發(fā)工具包，例如，是實(shí)現能量收集應用提供一個(gè)代表性的開(kāi)發(fā)平臺。它是基于Microchip的PIC單片機采用nanoWatt XLP技術(shù)。電源由Cymbet的太陽(yáng)能收集器，其中包括適用于室內或室外光使用高效率的太陽(yáng)能電池板提供。收割機捕獲，管理，并在兩個(gè)EnerChips，這反過(guò)來(lái)又供應能量給XLP開(kāi)發(fā)板當光不提供儲存能量。

結論

超低功耗芯片，可行的能源采集解決方案，高密度儲能技術(shù)和無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的嚴格的功耗要求的融合創(chuàng )造了一個(gè)很大的設計空間依賴(lài)于所采集的能量來(lái)運行的系統。從MCU的角度來(lái)看，解決方案是可能的32位基于A(yíng)RM的芯片，基于8051 8位的芯片，和16位基于PIC芯片，僅舉3。越來(lái)越多的通信方案也可以跨多個(gè)頻段和proprietary-和基于標準的解決方案。替代品的數字意味著(zhù)設計者必須有一個(gè)徹底的了解他們的應用 - 特別是能量需求。