通过节能设计延长传感器节点的使用寿命

物联网节点需要多年的运行而不需要更换主电池,以便将维护保持在最低限度。一些类型的系统甚至可以使用非常小的电池功率来操作,依靠诸如太阳能电池阵列或小型涡轮机的能量采集器来提供长期的电力需求。
能量收集设计的根本缺点在于,除了流体流动预计持续的流量计之类的情况之外,动力源是不可靠的,并且收割机可以从该流动中吸收一些动能。
在大多数情况下,收割机所能达到的最佳效果是低连续水平的能量流。交付中往往有高峰和低谷,不幸的是,它们不太可能与系统的高峰需求相吻合。这需要使用诸如可再充电电池或电容器之类的部件来在系统内的储存器内存储暂时过剩的能量。
如果系统能够长时间保持静止状态,则可以使小量能量的流动积累起来,以驱动高峰需求。如图1所示,这种峰值需求峰值对IoT节点设计来说很常见。通过确保大部分电路处于非活动状态时断电,这些节点实现了低总体能耗目标。如此低的占空比特性使得可以设计出系统寿命不超过百分之一的系统处于高功率状态。
典型物联网传感器节点功耗特性的图像
图1:典型物联网传感器节点的功耗特性
在能源包络中,物联网节点需要能够执行许多任务。通常情况下,节点将检测输入数据,如管道内的流量,或者在环境传感器,温度或湿度水平的情况下。系统将需要将收到的数据传输给对等或服务器,以便与其他节点的报告进行比较,并在数据显示有重大变化时采取行动。如果比较或过滤器算法显示可报告的更改,则需要激活RF收发器,组装一个数据包,然后将其发送到物联网网关。它还需要听取确认以及网络状态更新。
射频传输过程中可能会出现峰值功率。但是,可以对活动进行排序,以便首先组装数据包并传递给RF子系统,从而在启动实际的RF传输之前允许部分节点关闭。这有助于消除功率峰值,并防止电容器和电池组合放电速度过快的情况。
有简单的电路设计技术,允许从能量收集器向储能电容器充电,以提供足够的功率来支持活动峰值的需求。一种是基于与太阳能电池或类似收集器和电源轨串联的二极管。电容器可以充电到收割机的开路电压。并联过压保护功能可防止电容器和电源导轨被推到太高的电平。但是,这仅适用于太阳能电池阵列可以产生比电源电压更高的电压的情况。许多小型发电机和基于热电发电等其他采集技术的发电机将永远无法达到这一水平。另外,充电到最大电压不适合太阳能发电,
所需要的是能够管理电容器和系统电压的专用设备。在德州仪器TI)BQ25570电源管理集成电路(PMIC)旨在使从各种收集源(其中大部分倾向于具有高输出阻抗的低电压源)提取微瓦级到毫瓦级的功率成为可能。电池管理功能可确保任何连接的可充电电池或储存电容器不会因提取的电量而过度充电,从而使锂基电池可以安全运行。它还确保电池没有被系统负载超出安全限制的耗尽。除了高效的升压充电器外,BQ25570还提供超低功耗降压转换器,为系统提供第二个电源轨。
BQ25570通过调节VIN_DC检测的充电器输入电压来执行MPP跟踪,如图2的框图所示。将其与VREF_SAMP引脚上的采样参考电压进行比较。MPP跟踪电路通过周期性地禁用充电器大约250ms并且采样一小部分开路电压来每16秒获得一个新的参考电压。对于太阳能收割机,MPP一般在70%到80%之间,而热电收割机则约为50%。BQ25570通过将VOC_SAMP连接到储能电容器(VSTOR)或者分别连接到太阳能和热电源的接地来编程到这些电平。如果输入源没有80%或50%作为MPP点,
德州仪器BQ25570在典型的太阳能电路中的框图
图2:典型太阳能电路中BQ25570的框图。
通过使用外部电阻在VBAT_OV引脚上设置峰值阈值,可充电电池或储能电容器免受过压或过充电的影响。当收割机输入有足够的电力来驱动时,该设置还充当充电器向系统提供的电压。
油藏电容器的选择将受到整体尺寸和泄漏考虑的影响。可用的最高容量来自电化学“超级电容器”,可以获得高达50F的尺寸。然而,它们遭受高的泄漏水平,使得它们不适合能量采集机会间歇性的设计。一个更好的选择可能是一个钽电容器,虽然在需要防火的设计中需要注意。这些提供相当高的电容水平以及纳安范围内的泄漏。成本,安全性和低泄漏的总体平衡有利于陶瓷电容器,尽管这些电容器限于约半毫法拉电容。
为了帮助管理能源预算,BQ25570控制电池正常(VBAT_OK)标志。当能量存储电池或电容器上的电压下降到低于预设的临界水平时,该信号表示连接的微处理器。这可以用来开始减少负载电流,以防止系统进入欠压状态。使能信号可让MCU控制PMIC的状态,并在必要时将其置于超低静态电流睡眠状态,以进一步节省能源。
由于许多低占空比系统,MCU可以进入深度睡眠状态,功耗被降至非常低的水平。但是,由于系统暂时没有备用电源,可能会出现系统无法继续运行的情况。设计系统不仅可以容忍这些情况,而且可以将其视为正常的使用技巧,以避免需要完全重启。这些系统设计有助于使能量收集成为更可行的技术。
许多MCU依靠备份存储单元在休眠期间保存关键数据。如果它们是基于SRAM的,保留单元会导致一些泄漏,并且如果电源中断将会丢失内容。将数据定期写入闪存部分地克服了这个问题。但是,如果即将发生电源故障的信号不足以支持执行一组闪存写入所需的高电流电平,则存在问题。为了支持对闪存的写操作,MCU通常需要一个集成的电荷泵来完成擦除和写入过程,通常需要5毫安到10毫安,几百毫秒。
另一种方法是让MCU完全关闭电源并重新启动电源恢复,然后尝试从持久性存储中恢复其状态,或通过下载关闭之前提供的状态信息从服务器恢复状态。然而,这会大大增加功耗,并且可能导致如果PMIC和电容器没有积聚足够的能量,则节点连续失败重新启动。通过存储临时数据,系统避免了重新启动的需要。系统状态信息越详细,系统需要执行的恢复越少,以确保其可以正常运行。
铁电随机存取存储器(FRAM)提供了一种存储器技术,可以通过停电时存储大量的临时数据,而这些系统的功率封装极其有限。FRAM的一个主要优势是支持超低功耗写入。这是以两种不同的方式看到的好处。与闪存不同,写入FRAM不需要预擦除周期。写入本身要求比闪存低得多的电荷。
基于电容式存储元件,FRAM具有与DRAM类似的结构。这通常与编程晶体管结合。尽管闪存使用高电场将电荷存储在晶体管中的浮置栅极的绝缘体内,但是铁电电容器将电荷存储在电容器内。与传统电容器不同,选择材料使得当施加编程电荷时在其晶体结构中形成半永久电偶极子。阅读是破坏性的,因为它迫使细胞处于空白状态。但是,写入功耗很低,每次成功读取后可轻松执行,以取代原始值(如果为“1”)或装入新的“1”。
TI MSP430FRx系列 MCU包含高达128 KB的片上FRAM,用于持久存储数据。MCU支持片上存储器阵列和寄存器未上电的超低功耗状态,但FRAM将继续存储其内容。
通过功耗计算(CTPL)软件实用程序为系统设计人员提供了一种简单的方法来利用FRAM作为持久状态存储功能。该库提供了许多应用程序编程接口(API)来监视诸如电源故障等事件,并对其作出反应。通常情况下,软件库将在从系统中移除电源之前将状态数据从SRAM传输到FRAM。
当电源恢复时,CPTL库允许将FRAM内容传送回SRAM数据结构和MCU寄存器以允许继续执行。
进一步的功率优化可以通过构建系统软件来最小化完全唤醒周期的数量来获得。设计通常会分为两大类:无功和周期性的。无效操作使系统进入待机状态,以在启动处理之前等待某个活动或事件,然后返回到深度睡眠。
该活动可能与收获功能本身相关联。例如,在由振动或运动采集驱动的系统中,任何大的移动将不仅提供能量,而且激活传感器节点进行记录。例如,桥式振动监测器可以使用这种活动来驱动其操作,以便在重型车辆或风扰动结构的地方施加高应力时进行测量。
相反,周期性系统在固定的时间间隔后醒来并执行测量。如果数据达到需要注意的水平,则系统可以在重新进入睡眠模式之前通过网络处理和潜在地中继信息。尽管比纯粹的反应系统设计浪费更多的能量,但是对于难以简单地使用活动阈值来确定输入是否需要关注的情况,通常需要周期性架构。感应式流量感应就是一个例子。
但是,使用MSP430RFx等MCU时,可以改善能耗。MSP420FR413x等器件上的10位ADC 可以独立于CPU内核进行触发操作。实时时钟可以在定义的时间段之后开始采集。具有上限和下限的窗口比较器可以确定CPU是否需要唤醒以供进一步分析。这限制了传感器节点在生命周期内所需的全部唤醒次数。

结论

因此,MSP430可以提供超高效率的无功或周期性物联网传感器节点的核心,使用BQ25570 PMIC实现的能量收集功能,可以进一步延长系统的寿命,使之超越纯电池型设计。
 

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