能量收集方案电路设计:如何解决电源管理方案的可靠性

2019年08月13日 作者:Teardown

对于象可穿戴设备或物联网 (IoT) 这样的快速发展地市场,能量收集能大大增加电池寿命,甚至实现无电池设计。 但同时工程师们在设计可穿戴设备或物联网设备时会面临很大的限制,即总体设计尺寸和基底面要很小。 为了满足不断增长的小型化系统需求,设计师可以转向众多高度集成的能量收集 IC 和无线 MCU,制造此类器件的半导体厂商包括:Atmel、CSR、Freescale Semiconductor、ADI Technology、Maxim Integrated、NXP Semiconductor、Silicon Laboratories、STMicroelectronics 以及 Texas Instruments 等。

能量收集技术能为利用环境能源的应用带来巨大优势。 设计师已经采用能量收集技术为从电机和发动机监视器到轨道电子元件的应用提供电力。 一般这类应用都基于内置的无线传感器设计,向控制器、聚合器或其它主机(图 1)发送有关环境或兴趣事件的采样数据。

但是,与其它能量收集应用不同的是,可穿戴设备和 IoT 设备有一个共同的设计要求,即将基本功能打包到最可能小的封装中。 如今,设计师有多个选择来减少这些设计的基底面和总体尺寸。 例如,对于一个简单的 IoT 本地化应用来说,象 STMicroelectronics M24LR16E 这样的动态 NFC/RFID 标签,可以在仅仅 4.9 x 6.0 mm 的尺寸内实现大量所需的功能。

就一般 RFID 标签来说,M24LR16E 通过从射频阅读器或附近耦合器件 (VCD) 收集射频能量来为自身供电。 但与大多数 RFID 标签不同, M24LR16E 还具有能量收集模拟输出,可以用于向象 MCU 这样的附加器件供电。 当设置为能量收集模式时,M24LR16E-R 会将收集自射频场的剩余能量输出至 Vout 模拟引脚。 而且,设计师可以使用器件的这一能力在接收到的载波上调制负载,以便与 VCD 器件进行通信,速率可达 53 Kbps,从而不再需要单独的无线 RF 收发器。

紧凑的解决方案

然而对于许多 IoT 应用和大多数针对可穿戴设备的设计来说,需要依赖环境能量源和传统的无线连接功能。 对这类设计,专用 IC 提供了完整的关键子系统解决方案,包括能量收集、传感器数据采集以及无线通信。 使用高度集成的器件后,工程师可以缩小能量收集设计,只需两三个 IC 和最少的分立无源元件即可实现体积小巧、功能复杂的系统级解决方案。

这些解决方案的核心是专用能量收集器,如 ADI Technology LTC3588-1 和 Maxim Integrated MAX17710。这些器件在只有 3 mm x 3 mm 的超薄、超扁平封装中集成了 DC/DC 转换器、电源管理电路、控制功能等多种器件和功能。 这些器件易于与 MCU 连接,只需要少数几个外部元件即可为 MCU 和其它电路提供完整的能量收集电源(图 2)。

ADI LTC3588-1 可直接与压电式或其它交流电源连接,它将一个低损耗全波桥式整流器与一个高效率降压转换器结合在一起。 因此,该器件可以对 AC 电压波形进行整流,将收集到的能量存储到外部电容器中,然后提供稳压输出。 与此相反,Maxim MAX17710 则采用升压稳压器控制器,利用低至接近 1 uW 的能量源发电。 MAX17710 也可以从低至 0.75 V 的能量源为蓄能电池充电,使用内部稳压器保护电池,防止过充电。

集成功能

利用单芯片能量收集电源,以及各种把 MCU 内核与丰富的片载功能(包括用于数据收集的模数转换器 (ADC))结合在一起的器件,设计师可以完成可穿戴设备和 IoT 的设计。 尽管集成模拟外设已经司空见惯,但一类无线 MCU 能将之与用于无线连接全射频收发器的片载集成区别开来。 同样重要的是,这些器件均实现了骄人的超低功耗,并能为这些应用提供高精度数据转换能力以及足够的 TX 功率和 RX 灵敏度。 例如,象 Silicon Laboratories Si1004 无线 MCU 就将一个 8051 兼容微控制器内核与片载内存、每秒 300 k 样本采样能力的 10 位 ADC、双比较器和片载 RF 收发器结合在一起,能够提供 +13 或 +20 dBm 的最大发射输出功率——所有这些均打包在一个 5 mm x 7 mm 的 42 引脚 LGA 封装中。

就许多这些专用低功耗器件来说,Si1004 具有多个低功耗工作模式。 SiLabs Si10xx 系列中器件的有源模式功耗仅为 160 µA/MHz,且内部 RTC 工作时的休眠模式电流仅为 300 nA。 此外,Si1004 包括一个内部 DC/DC 开关式升压转换器,允许工作电压降至 0.9 V。这个内部 DC/DC 转换器提供 1.8 至 3.3 V 的可编程输出电压范围,能够为系统中的其它器件提供可达 65 mW 的稳压功率,在某些应用中甚至可达 100 mW。 对于传感器和其它电路来说,如所需电压高于某些能量收集应用所提供的电压,这一附加电源就能增加连接灵活性。

象 SiLabs Si1004 这样的无线 MCU 可以设计成简化到天线的连接。 实际上,Si1004 可以用在 TX/RX 直连配置中,无需使用 TX/RX 开关(图 3) 对于需要提升处理诸如多径衰落之类情形的性能的应用,设计师可以利用集成到 Si10xx 无线 MCU 的片载 EZRadioPRO® 收发器中的天线分集支持功能,将无线性能提升到 10 dB。

 

对于需要更高性能的应用,设计师可以找到一系列功能强大的无线 MCU,在宽工作频率和连接协议范围内提供支持。 例如,CSR CSR1011 支持低功耗蓝牙 (BLE),而 Freescale Semiconductor MKW22D512V 和 NXP Semiconductor JN516x 系列则支持 802.15.4 ZigBee。

此类别中的其它器件提供高度全面的收发器功能,如集成在 Texas Instruments SimpleLink CC3200 中的 Wi-Fi“片上因特网”网络处理器。 CC3200 在紧凑的 9 mm x 9 mm、64 引脚器件中将这一网络处理器模块与高性能 ARM Cortex-M4 MCU 结合在一起。

内核性能越高则功率要求越高,但 CC3200 却可以工作在低至 120 µA 的低功耗深度休眠模式——在一般无线传感器应用中属支配状态。 顾虑功耗的设计师也可以转向使用基于 ARM 最高功率效率内核 Cortex-M0+ 的无线 MCU,如 Atmel ATSAMR21E18A。

结论

可穿戴和 IoT 应用需要紧凑的设计能以最低的功率要求实现复杂的功能。 有了专门的能量收集器,设计师既能实现从环境能量为其设计供电,又不放弃设计尺寸尽可能最小的原则。 高度集成的能量收集 IC 加上低功耗无线 MCU,能够让设计师在微小的系统中实现完整的无线传感器设计,使其从环境能量源提取电能的同时,实现复杂的功能。

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