物联网设备的超低功耗管理

据估计,物联网每年将产生数百兆字节(兆亿兆字节)的数据,而这个数字只是在增加。一般家庭对这个数字的贡献数量预计到2020年将增长五倍。创建数据并不需要太多的计算能力,因为可以使用最简单的传感器集线器来捕获,数字化和存储数据。MEMS传感器能够检测9个轴上的运动,可以在每侧测量1或2毫米的封装中提供。这些微型设备和各种传感器形成了当今物联网的核心,使端点能够实时在线捕获,处理和共享数据。
随着越来越多的端点预计将从有限的电源或从环境中采集的能量运行,对超低功耗操作的需求正在增加。终端可能是更大的传感器网络的一部分,但可能是远程和孤立的。一旦投入使用,它们可能会在未经维护的情况下运行多年,包括更换电池。
制造商正在忙于开发新的解决方案来应对这一设计挑战,使我们能够构建可以收集和传输信息的设备,而无需任何外部电源。就可穿戴设备而言,这可能很快将包括仅由佩戴者身体或其活动供电的设备。

通电!

为了说明如何实现,请考虑图1所示的框图。在大多数应用中,功率部分可以是多种功率管理器件中的任何一种,但是对于超低功率应用,其选择仅限于专门开发的解决方案可最大限度地提高有限的可用功率,
能量收集综合解决方案框图
图1:越来越多的集成解决方案目前主要针对主要从收获能源运行的应用。
图2中的框图显示了使用ADI公司的ADP5090电源管理单元的典型能量采集示例。
基于ADI公司ADP5090的能量收集应用框图
图2:基于ADI公司的ADP5090的能量收集应用的框图。
这是一个超低功耗升压稳压器,集成了最大功率点跟踪(MPPT)和充电管理功能。MPPT可以配置为光电和热电两种能源,工作范围为16 W至200 mW。该器件可以从低至380 mV的电源电压启动,运行电压仅为80 mV。它也支持使用可选的原电池,可以自动切入和切出。16引脚器件尺寸仅为3mm×3mm,体积小巧,功能强大,是许多物联网应用的理想选择。该器件由评估和演示套件ADP5090-2-EVALZ(图3)提供支持,为开发能量收集应用提供了完美的平台。
Analog Devices ADP5090-2-EVALZ评估板的图片
图3:ADP5090-2-EVALZ为评估ADP5090超低功耗升压稳压器提供了完美平台,采用ADI公司的MPPT和充电管理。
另一种解决方案来在形式LTC3588-1从凌力尔特。像其他能源收集的PMIC一样,它具有超低静态电流。由于LTC3588设计用于与交流电源(如压电发生器)一起工作,因此集成了低损耗全波桥式整流器和降压稳压器(见图4)。
凌力尔特LTC3588-1纳瓦级能量收集电源框图
图4:凌力尔特公司的LTC3588-1纳瓦级能量收集电源框图。
连接到Vin引脚的外部电容充当储能器,输出电容形成稳压输出的一部分。该器件为降压转换器生成内部驱动电压轨,从而使输入电容中的电荷传输至输出电容。该器件通过打开和关闭降压转换器来工作。当输入电压足够高时,降压转换器启动。当降到降压电压以下时,降压转换器被禁止,输出由输出电容保持。这个迟滞周期在正常操作期间重复,由外部电感器定义。输出电压可通过D0和D1输入设置为1.8 V,2.5 V,3.3 V或3.6 V. LTC3588-1的所有功能均可使用演示电路DC1459B-A-ND。
如果应用程序是由太阳能电池操作的无线传感器,则S6AE101A从赛普拉斯半导体可能是完美的解决方案。这种能量收集型PMIC能够与太阳能电池等线性源一起工作,并且由于其启动功耗低,仅为1.2μW,因此能够在低至100 lux的光照条件下工作。还可以包含一个可选的主电池,以确保在无光条件下工作。图5显示了S6AE101A的框图,显示了包括电源门控在内的主要特性。
赛普拉斯半导体S6AE101A能量收集PMIC的框图
图5:赛普拉斯半导体公司用于无线传感器节点的S6AE101A能量收集PMIC的框图。
该装置通过将所存储的电压与阈值进行比较来操作。只要存储的电压超过阈值,输出电压就会自动启用。一旦存储的电压降到阈值以下,输出电压将被禁止。活动时间由总系统功耗决定,因此根据应用,电压源和储能电容器的大小而变化。这也必须与发电机输送能量的能力以及因此对存储电容器充电所需的时间进行权衡。S6AE101A的所有功能都可以使用开发套件S6SAE101A00SA1002进行评估。

连接

在我们的示例应用中,主要功能元件之一是RF收发器。由于超低功耗无线网络需求的增长,针对这一应用领域的高度集成解决方案的数量不断扩大。最近除了是MAX7037从美信集成,这是一个4带子GHz的RF收发器与集成8051微控制器和一个混合信号的传感器接口(图6)。
Maxim Integrated的MAX7037电路图
图6:Maxim Integrated的MAX7037是一款超低功耗四频段多通道收发器,针对超低功耗无线传感器网络。
在主处理器的控制下,MAX7037在发送模式下消耗的电流仅为16 mA,在接收模式下消耗的电流仅为22 mA,在深度睡眠模式下仅消耗100 nA。设计用于全球ISM sub-GHz频段,可使用FFSK,FMSK或ASM调制将其配置为在315,433,868或915-930 MHz频段工作。
混合信号传感器接口通过集成的9位Σ-Δ型ADC支持模拟传感器。主机CPU通过UART控制MAX7037,但默认情况下,它作为SPI从机工作。在这种模式下,其64K字节的片上闪存可以保存由主机CPU编程的固件。TEST0引脚控制器件在编程模式还是运行模式下启动。要评估MAX7030的功能,请查看MAX7037EVKIT。
另一种稍微更加综合的解决方案,它不需要主机CPU,可能是CC1310来自德州仪器,其SimpleLink家庭的一部分。如图7所示,这款超低功耗sub-GHz无线MCUARM®Cortex®-M3内核与可自主运行的超低功耗传感器控制器集成在一起,以节省系统功耗,同时还集成了完全集成的RF收发器能够在315,433,470,500,779,868和915-920MHz运行。
德州仪器(TI)CC1310高度集成的无线MCU
图7:德州仪器的CC1310是SimpleLink系列的高度集成的无线MCU

添加传感器

这种物联网设备的核心就是用来捕获数据的传感器。尽管存在多种形式的传感器,MEMS技术已经彻底改变了传感器领域。
体育或医疗用途的可穿戴技术中的普遍使用情况包括心率监测和脉搏血氧仪。这些功能通常使用LED和光电二极管来实现。所述SFH7050 BioMon传感器从欧司朗光电半导体是一个典型的例子。它将三个发射器(绿色,红色和红外)以及一个探测器集成在一个单一的封装中,尺寸仅为4.7毫米x 2.5毫米x 0.9毫米。
在可穿戴设备中经常使用的其他形式的感测包括运动感测,并且在这里,MEMS传感器在功能,尺寸和功率方面是优越的。现在许多制造商正在将多种类型的传感器集成到一个设备中,这样就可以更轻松地将功能添加到可以佩戴或不显眼的小型产品中。
例如,ICM-20789从TDK InvenSense的是具有集成的压力传感器的6轴MEMS运动传感器。它具有一个3轴陀螺仪和一个3轴加速度计,辅以压力传感器,可以用来跟踪海拔变化。运动和压力传感器由其自身的温度传感器支持,用于校准目的。但是,温度测量也可以由主机应用程序使用。
MEMS传感器通过数字运动处理器(DMP)连接在一起,采用CMOS和晶圆级结合传感器,尺寸仅为4 mm×4 mm×1.365 mm。虽然主机系统的主要接口是I 2 C,但使用DMP上运行的驱动程序的API访问和控制设备的功能。这样可以配置传感器参数和输出数据速率,以及模式(低功耗或低噪声)和I 2C / SPI接口。
所有功能都可以使用基于GUI的开发环境提供的DK-20789 SmartMotion平台进行评估,以控制和配置设备,以及捕获和可视化生成的数据。

把它放在一起

上面概述的组件可以用在我们的假设应用程序中。表1显示了每个器件的相关电气特性。
应该注意的是,本文所介绍的每个器件的功率要求在运行期间都会有很大的不同,具体取决于模式,启动时的浪涌以及环境条件。表1中提供的数字纯粹是为了说明而不是确定性的。
  V(见注1) 我(见注1) 能量(见注2)
ADP5090 3 V 100 mA 30MJ
LTC3588-1 3.3 V 950 nA 31.35μJ
S6AE101A 3.3 V 250 nA 8.25μJ
MAX7037 3.3 V 26 mA 858μJ
CC1310 3.6 V 30 mA 1.08mJ
SFH7050 1.8 V 125 mA 2.25mJ
ICM 20789 1.8 V 3 mA 54μJ
笔记:
  1. 根据制造商数据表中的数字估算,这些数字取决于负载,仅供参考
  2. 使用公式1计算,基于10 ms的周期性接通时间
公式1: 
等式1
等式2: 
等式2
表1:本文中介绍的器件的能量需求的说明。
表1中所示的能量数据是使用应用笔记AN210772:“使用S6AE101A,S6AE102A和S6AE103A进行能量收集的能量计算”中详细介绍的公式计算得出的。它由赛普拉斯半导体公司生产,用于支持其能量收集PMIC的S6AE101A / 2A / 3A系列,以更好地估计给定应用的能量需求。
虽然他们估算非常粗略,但以这些数字为出发点,我们可以开始为我们的应用程序建立能源预算。通过假定10ms的周期性接通时间,选择表1中突出显示的组件,表明我们假设的物联网设备将消耗约3.4mJ。如果我们把这个数字代入公式2,我们可以估计我们的应用需要一个至少1000μF的充电电容。
当然,这可以根据应用进行优化,但是至少表明开发一种采用能量的高功能可穿戴设备在理论上是可行的。

结论

对可用于开发利用收集能量的超低功率无线传感器网络的解决方案的粗略调查表明,开发这些应用是完全可行的。随着物联网的不断发展,半导体制造商将抓住机遇,为耗电量更低的设备提供服务。
使用当今的技术,可以从有限的能源预算中创建一个功能强大的自供电物联网设备,该预算使用长距离,低功耗的无线连接,只要不经常传输数据,就可以获得足够的“免费'能量。
 

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