【導(dǎo)讀】許多無法連接市電的嵌入式系統(tǒng)通常會采用電池供電，但當(dāng)電池電量用完時(shí)，更換電池的維護(hù)成本相對較高，并造成相當(dāng)多的困擾，若能通過能量收集技術(shù)來為系統(tǒng)永續(xù)供電，便可解決這個(gè)問題。本文將為您介紹如何利用能量收集技術(shù)來建立永久運(yùn)行的嵌入式系統(tǒng)，以及由Silicon Labs（芯科科技）推出的相關(guān)解決方案。
許多無法連接市電的嵌入式系統(tǒng)通常會采用電池供電，但當(dāng)電池電量用完時(shí)，更換電池的維護(hù)成本相對較高，并造成相當(dāng)多的困擾，若能通過能量收集技術(shù)來為系統(tǒng)永續(xù)供電，便可解決這個(gè)問題。本文將為您介紹如何利用能量收集技術(shù)來建立永久運(yùn)行的嵌入式系統(tǒng)，以及由Silicon Labs（芯科科技）推出的相關(guān)解決方案。
追求實(shí)現(xiàn)永久運(yùn)行的能量收集系統(tǒng)
能量收集技術(shù)正在迅速成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的可行電源選擇，使無線傳感器能夠用于以前傳統(tǒng)電池供電設(shè)計(jì)無法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用。例如，能量收集電源使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠輕松構(gòu)建范圍超過100米、使用壽命超過20年的超薄無線傳感器。
能量收集系統(tǒng)的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)永久運(yùn)行，能量收集系統(tǒng)可以通過確保收集到的能量，能夠滿足或超過系統(tǒng)在運(yùn)行期間消耗的能量來實(shí)現(xiàn)永久運(yùn)行。能源管理是設(shè)計(jì)能量收集系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵方面，第一步是確定采集器的可用功率輸出，能量采集器可將太陽能、機(jī)械能或熱能轉(zhuǎn)化為電能。太陽能采集器具有最高的功率密度，能夠采集15 mW/cm2的表面積，最大化能量收集器的輸出功率，對于構(gòu)建強(qiáng)大的能量收集系統(tǒng)至關(guān)重要。
在設(shè)計(jì)能量收集系統(tǒng)時(shí)最重要的是提供足夠的功能和最小化嵌入式系統(tǒng)的功耗，通過選擇具有低泄漏規(guī)格的元器件，并使用超低功耗微控制器（MCU）（例如Silicon Labs的Si10xx無線MCU），可以實(shí)現(xiàn)低功耗。大多數(shù)用于在電池供電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)低功耗操作的技術(shù)，都可用于最大限度地減少能量收集系統(tǒng)中的功耗。
讓我們看一個(gè)太陽能無線傳感器節(jié)點(diǎn)的示例，該節(jié)點(diǎn)每20分鐘以10 μA的平均電流傳輸數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)配備了太陽能電池板，可在白天提供50 μA的連續(xù)電流。白天可用于給電池充電的凈電流為40 μA，夜間電池以10 μA的速率放電。只要系統(tǒng)每天暴露在至少4.8小時(shí)的日光下，能量收集系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)永久運(yùn)行。
薄膜電池平衡收獲和消耗的平均功率
能夠?qū)崿F(xiàn)永久運(yùn)行的能量收集系統(tǒng)有兩類，每一類的能量存儲機(jī)制各不相同。第一種類型需要長時(shí)間收集和積累能量，并使用泄漏極低、高容量的能量容器，例如薄膜電池。通過平衡收獲的平均能量和消耗的平均功率來實(shí)現(xiàn)永久運(yùn)行。此類能量收集系統(tǒng)最為靈活，通常會在短時(shí)間內(nèi)爆發(fā)高功耗。這些系統(tǒng)大部分時(shí)間都處于低功耗睡眠模式，始終通電并隨時(shí)收集能量。此類系統(tǒng)的一個(gè)示例是太陽能無線傳感器節(jié)點(diǎn)。
第二種類型的能量收集系統(tǒng)保持在未通電狀態(tài)，直到檢測到能量脈沖、收集能量，并將其存儲在低阻抗能量容器（例如電容器）中。短暫上電復(fù)位后，系統(tǒng)使用從能量脈沖收集的有限能量執(zhí)行必要的系統(tǒng)功能。通過平衡執(zhí)行任務(wù)時(shí)消耗的總能量和單個(gè)脈沖中收獲的能量來實(shí)現(xiàn)永久運(yùn)行。此類系統(tǒng)的一個(gè)例子是無線燈具開關(guān)，它使用機(jī)械開關(guān)產(chǎn)生的能量，將射頻信號傳輸?shù)轿挥跓艟咛幍慕邮掌鳌?br style="padding: 0px; margin: 0px auto; font-family: Arial, 微軟雅黑; font-size: 15px; text-wrap-mode: wrap; background-color: rgb(247, 247, 247);"/>
鈕扣電池、AA鋰電池和鋰亞硫酰氯電池等傳統(tǒng)電池已在需要長壽命的嵌入式系統(tǒng)中使用多年，薄膜電池的引入為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在成本、尺寸和安全性之間進(jìn)行權(quán)衡創(chuàng)造了一種新的選擇。由于開發(fā)人員不斷面臨降低系統(tǒng)成本的壓力，經(jīng)濟(jì)型鈕扣電池似乎是降低制造成本，以及將產(chǎn)品快速推向市場的最佳解決方案。然而，更換鈕扣電池時(shí)會產(chǎn)生隱性成本。
如果您認(rèn)為薄膜電池的總壽命儲能容量超過30個(gè)CR2032鈕扣電池，您很快就會得出結(jié)論，與更換30個(gè)鈕扣電池的成本相比，薄膜電池的初始成本微乎其微，并超過嵌入式系統(tǒng)生命周期的數(shù)倍。
在考慮電池尺寸時(shí)，薄膜電池的外形是所有電池類型中最薄的（小至0.17 mm）。薄膜電池的總壽命容量相當(dāng)于四節(jié)鋰“AA”電池或一節(jié)“C”型鋰亞硫酰氯電池，薄膜電池非常適合需要超薄外形和長電池壽命的空間有限的嵌入式系統(tǒng)。
此外，薄膜電池不會帶來與大型傳統(tǒng)電池相關(guān)的安全問題，例如易燃和爆炸危險(xiǎn)。由于薄膜電池是可充電的，因此在任何給定時(shí)間僅存儲其總壽命容量的一部分，如果電池意外短路或暴露在極熱或明火中，這將使電池更加安全。薄膜電池產(chǎn)生的廢物也比大型傳統(tǒng)電池少得多，傳統(tǒng)電池通常最終被扔進(jìn)垃圾填埋場而不是被回收。
能量收集參考設(shè)計(jì)加速產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)
電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功耗一直是影響著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵問題，各種無線標(biāo)準(zhǔn)背后的組織，致力于幫助滿足消費(fèi)者對該領(lǐng)域的設(shè)備降低功耗的期望，Zigbee Green Power便是在設(shè)計(jì)無線通信時(shí)，考慮到能量收集的一個(gè)很好的例子。
Silicon Labs和艾睿電子共同開發(fā)了一種基于Silicon Labs EFR32MG22片上系統(tǒng)（SoC）的能量收集參考設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)將Zigbee Green Power燈具開關(guān)與能量收集電源管理配對。MG22設(shè)計(jì)用于Zigbee協(xié)議，尺寸緊湊，并擁有先進(jìn)的安全功能，使其成為超低功耗終端設(shè)備的理想選擇。Silicon Labs亦提供節(jié)能型電源管理IC，例如EFP0111，來提供更佳的電源管理能力。Silicon Labs還可提供MCU、無線入門套件，以及提供了強(qiáng)大的開發(fā)和調(diào)試環(huán)境的Simplicity Studio，將可協(xié)助客戶快速開發(fā)能量收集系統(tǒng)。
該設(shè)計(jì)的核心組件是能量收集發(fā)電機(jī)，此參考設(shè)計(jì)采用了ZF的單穩(wěn)態(tài)發(fā)電機(jī)模塊。這是一個(gè)雙向開關(guān)發(fā)電機(jī)，這意味著按下和釋放開關(guān)時(shí)都會產(chǎn)生能量，該開關(guān)具有兩個(gè)磁極的磁鐵，向下推動(dòng)開關(guān)會產(chǎn)生一個(gè)穿過磁芯并返回到另一極的磁場。然后，當(dāng)用戶釋放開關(guān)時(shí)，磁場發(fā)生變化并沿相反方向穿過核心，這種變化的磁場會產(chǎn)生電流，這就是我們可以收獲的能量。當(dāng)按下或釋放ZF發(fā)電機(jī)時(shí)，該發(fā)電機(jī)會產(chǎn)生交流電壓，系統(tǒng)可以利用這種機(jī)械能產(chǎn)生的能量打開燈具，其最終目標(biāo)是在開關(guān)和燈具之間在不布線的情況下可以開起與關(guān)閉燈具。
為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電是一項(xiàng)能源密集型工作，創(chuàng)新無需電池的設(shè)備供電新方法將簡化開發(fā)并有助于創(chuàng)造更清潔的環(huán)境。例如，利用使LED閃爍一次所需的能量就足以傳輸多個(gè)RF信號。低功耗硅芯片設(shè)計(jì)與針對低功耗應(yīng)用而優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，將為電源管理的新時(shí)代奠定基礎(chǔ)，并為制造商和消費(fèi)者降低巨大的成本和浪費(fèi)。
高性能、低功耗的功率管理解決方案
Silicon Labs推出的EFR32MG22（MG22）系列SoC是經(jīng)過優(yōu)化的Zigbee解決方案，可為智能家居傳感器、照明控制以及樓宇和工業(yè)自動(dòng)化等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用帶來業(yè)界領(lǐng)先的能效。
EFR32MG22和EFR32MG22E Zigbee SoC解決方案是Wireless Gecko Series 2平臺的一部分。MG22系列提供優(yōu)化的Zigbee SoC解決方案，該解決方案融合了帶TrustZone的高性能、低功耗76.8 MHz ARM? Cortex? -M33內(nèi)核。MG22讓您能夠創(chuàng)建節(jié)能應(yīng)用，而MG22E（“E”表示節(jié)能）通過延長電池壽命和支持完全無需電池的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步增強(qiáng)了節(jié)能優(yōu)勢。MG22 SoC將超低傳輸和接收功率（+6 dBm下8.2 mA TX，3.9 mA RX）、1.4 μA深度睡眠模式功率和低功耗外圍器件組合在一起，為使用Zigbee協(xié)議的應(yīng)用（包括Green Power），提供業(yè)界領(lǐng)先的節(jié)能解決方案。
Silicon Labs的EFP0111GM20節(jié)能型電源管理IC（PMIC）則是一款靈活、高效、多輸出電源管理IC，可為EFR32和EFM32器件提供完整的系統(tǒng)電源、三個(gè)輸出電壓導(dǎo)軌和主電池電荷計(jì)量功能。EFP0111升壓引導(dǎo)程序PMIC可在1.7至5.2的電壓范圍內(nèi)運(yùn)行，靜態(tài)電流低至150 nA。EFP0111GM20支持從1.5至5.5伏的多種電池，可在提高EFR32和EFM32功耗效率的同時(shí)，為多種不同的電池技術(shù)提供靈活性。
Silicon Labs的Si10xx Sub-GHz無線MCU則是將高性能的無線連接技術(shù)與超低功耗微控制器處理相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)5 x 6 mm的小封裝。器件支持的頻段范圍為142至1050 MHz，包括集成的高級數(shù)據(jù)包處理引擎與鏈路預(yù)算高達(dá)146 dB的能力。通過減小TX、RX、活動(dòng)和睡眠模式電流，以及支持快速喚醒時(shí)間來優(yōu)化設(shè)備，降低電池支持應(yīng)用的能耗。Si106x MCU與Si108x器件引腳兼容，閃存容量可在8至64 kB間調(diào)整，并提供穩(wěn)健的模擬和數(shù)字外圍器件，包括ADC、雙比較器、定時(shí)器和GPIO。所有器件設(shè)計(jì)均符合802.15.4g智能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，且支持全球監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)，包括FCC、ETSI和ARIB規(guī)范。
結(jié)語
能量收集技術(shù)已經(jīng)變得相當(dāng)流行，并且由于它為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了許多好處，預(yù)計(jì)在未來幾年將變得更加普遍。正確設(shè)計(jì)的能量收集系統(tǒng)一旦克服了最初的加電重置，就能夠永久運(yùn)行。通過精心的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能量收集系統(tǒng)的使用壽命可延長至20年以上。薄膜電池因其超薄外形和低泄漏特性而常用于能量收集系統(tǒng)，無需主電源或傳統(tǒng)的可更換電池，設(shè)計(jì)可自主維持嵌入式系統(tǒng)的靈活性，創(chuàng)造了新的應(yīng)用可能性，并為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)開辟了新領(lǐng)域。Silicon Labs推出的MG22系列Zigbee SoC解決方案、EFP0111GM20節(jié)能型電源管理IC與Si10xx Sub-GHz無線MCU，將能夠?yàn)槟芰渴占到y(tǒng)提供優(yōu)異的能耗控管能力，確保嵌入式系統(tǒng)能夠長時(shí)間的運(yùn)行，不再有更換電池的困擾。
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