嵌入式處理器用能量采集技術(shù)特別報(bào)告
發(fā)布時(shí)間:2017-11-03 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】能量采集的發(fā)展有兩個(gè)焦點(diǎn):一方面,要著眼能量轉(zhuǎn)換本身(該技術(shù)尚未成熟,但不久以后會(huì)涌現(xiàn)大量應(yīng)用);另一方面,業(yè)界正在研究超低功耗傳感器節(jié)點(diǎn)器件,nA級(jí)的功耗對電池壽命的影響極小。
如果你的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目不是機(jī)器人或機(jī)器工具,那么它可能是(或包含有)遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)。它將會(huì)使用小型化電池為自身供電。理想情況下,物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目中采用能量采集技術(shù)為的是完全去掉電池。更有可能的情況是,所采集的能源是用來補(bǔ)充電池輸出,從而使電池使用時(shí)間更長。因此,能量采集的發(fā)展有兩個(gè)焦點(diǎn):一方面,要著眼能量轉(zhuǎn)換本身(該技術(shù)尚未成熟,但不久以后會(huì)涌現(xiàn)大量應(yīng)用);另一方面,業(yè)界正在研究超低功耗傳感器節(jié)點(diǎn)器件,nA級(jí)的功耗對電池壽命的影響極小。
具有諷刺意味的是,一些遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)被稱為“能量采集器”(在某些產(chǎn)品資料中稱為“EH”)。它們使用只需很小電流就可工作的器件——如μA/MHz級(jí)功耗的微處理器。EH開發(fā)套件的發(fā)展主題不是將環(huán)境能量轉(zhuǎn)換為可用直流電壓的技術(shù),而是傳感器、信號(hào)調(diào)理IC、微功耗控制器和通信端口等超低功耗系統(tǒng)器件,從而使電池顯得可有可無。
事實(shí)上,盡管有若干不斷演進(jìn)的技術(shù)(例如可以利用光伏面板進(jìn)行大規(guī)模能量轉(zhuǎn)換),能量采集技術(shù)實(shí)際上還處于起步階段。目前,屋頂太陽能電池板可以轉(zhuǎn)換足夠的能量來為家庭或辦公室供電。但大規(guī)模儲(chǔ)能仍是挑戰(zhàn)。電容式存儲(chǔ)系統(tǒng)(一些與翻斗車一樣大)可提供長期可用儲(chǔ)能,但對于嵌入式移動(dòng)系統(tǒng)來說,這類系統(tǒng)基本不具便攜性。
能量采集換能器的尺寸仍然是能量采集技術(shù)的關(guān)鍵。大功率系統(tǒng)依賴于更大的能量轉(zhuǎn)換器:太陽能電池可提供100mW/cm2功率——1cm2就足以為袖珍計(jì)算器供電。但是通過其他能量采集技術(shù)采集到的能量卻達(dá)不到這個(gè)指標(biāo)。熱梯度能量采集器可提供10mW/cm2;振動(dòng)(壓電)能量采集器可提供100μW/cm2。射頻(RF)能量采集器由于有太多的能量可以收集,似乎很受歡迎,但它才產(chǎn)生0.1µW(100pW)/cm2。
能量采集技術(shù)
環(huán)境能量轉(zhuǎn)換器的效率雖然不是特別高,但仍受其工作環(huán)境的制約。舉個(gè)荒謬的例子,盡管可以使用染料升華技術(shù)(DSSC)調(diào)節(jié)太陽能轉(zhuǎn)換器對室內(nèi)照明波長(例如由熒光管發(fā)射的約600nm波長)的靈敏度,你也不會(huì)從鎖在室內(nèi)衣柜中的太陽能電池采集到很多能量。
壓電器件(異質(zhì)金屬“夾層”)可以通過機(jī)械形變產(chǎn)生可用電壓,但與傳感器的面積和形變相比,采集的電能仍然非常小。你可以用鞋內(nèi)的壓電器件產(chǎn)生的能量為你的手機(jī)電池充電,但這需要一周時(shí)間。
熱梯度是一種不同類型的“夾層”,聲稱具有高轉(zhuǎn)換效率和高輸出。它利用的是塞貝克效應(yīng),且半導(dǎo)體夾在熱板和冷板之間。雖然支持者聲稱具有高轉(zhuǎn)換效率,但是采集的電量是熱冷板(它們的尺寸和冷熱金屬之間溫差)的函數(shù)。溫差越大,可用的電能就越大。但是,這種能量轉(zhuǎn)換方式只有在溫差大的地方(像在加拿大北極地帶有一塊熱板一樣),效果才最佳。
壓電式能量采集器的應(yīng)用包括運(yùn)動(dòng)器件和振動(dòng)監(jiān)視器。無線HVAC傳感器和移動(dòng)資產(chǎn)跟蹤在各制造商的產(chǎn)品資料中被確定為可行的傳感器;壓電器件似乎更適合于檢測機(jī)械力和形變,而不是氣態(tài)條件(如溫度和濕度)。
智能樓宇應(yīng)用
智能樓宇用能量采集器主要是HVAC傳感器,用于監(jiān)視會(huì)議室占用(紅外線功能)以及空氣溫度、濕度和CO2含量。其他智能樓宇傳感器用于監(jiān)視照明(包括窗燈、房間燈和遮陽控制)。安全傳感器用于檢查房間非法占用和侵?jǐn)_。電力公司監(jiān)控可執(zhí)行抄表和電能使用錯(cuò)峰控制。EH系統(tǒng)提供“平臺(tái)即服務(wù)”(PaaS)云服務(wù)交互,可實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙和其他網(wǎng)絡(luò)通信。
郵箱功能(如設(shè)備服務(wù)標(biāo)簽)與微控制器配合使用。對于數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用,EH模塊可支持冷凍食品運(yùn)輸?shù)睦滏湑r(shí)間和溫度監(jiān)測。醫(yī)療應(yīng)用包括智能貼片,其中傳感器用于監(jiān)測血糖、體溫、濕度、pH值和氧氣含量。(德州儀器的網(wǎng)站有氣體檢測器參考設(shè)計(jì))
壓電器件的一個(gè)交叉應(yīng)用可能是汽車輪胎壓力傳感器,它報(bào)告氣體產(chǎn)生的機(jī)械力。壓電運(yùn)動(dòng)檢測器應(yīng)用的一個(gè)有趣的新趨勢是將其整合到織物中,這種技術(shù)可支持可穿戴技術(shù)。
圖1:壓電運(yùn)動(dòng)檢測器應(yīng)用的一個(gè)有趣的新趨勢是將其整合到織物中,這種技術(shù)可支持可穿戴技術(shù)。(來源:博爾頓大學(xué))
保持小體積
在技術(shù)開發(fā)方面,模擬半導(dǎo)體制造商將其研發(fā)工作重點(diǎn)放在超低功耗半導(dǎo)體,而不是太陽能電池或特定調(diào)諧振動(dòng)傳感器。可穿戴設(shè)備、遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)(包括網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò))、移動(dòng)傳感器(如氣體檢測器)和運(yùn)動(dòng)檢測器需要小型(甚至微型)能量轉(zhuǎn)換器,而不是使用像鐵路機(jī)車那樣大的能量采集器。
圖2:零功耗傳感器幾乎能夠從任何環(huán)境中收集能量。能源包括光、振動(dòng)、流動(dòng)、運(yùn)動(dòng)、壓力、磁場和RF。(來源:Cymbet公司)
因此,各半導(dǎo)體制造商在其數(shù)據(jù)表和白皮書上發(fā)布的公告都強(qiáng)調(diào)超低功耗。像ADI公司LTC3588、美信公司MAX17710或德州儀器公司bq25504這樣的信號(hào)調(diào)理IC即使在多種混合負(fù)載情況下也強(qiáng)調(diào)超低流耗。例如,LTC3588的資料表明,盡管其高阻抗輸入可以面向各種能源,但它對壓電輸入進(jìn)行了優(yōu)化。LTC3588本質(zhì)上是一款靜態(tài)電流為450nA的低功耗AC-DC轉(zhuǎn)換器。其輸入范圍為2.7V至20V,輸出可低至1.8V,壓差不超過400mV。
美信聲稱其MAX17710能管理穩(wěn)壓較差的輸入源,輸出功率范圍為1μW至100mW。該器件可以從多種能量轉(zhuǎn)換源提供超過20mA的電流。TI的BQ25504同樣本質(zhì)上是一款超低功耗高效率的DC-DC,可從低輸入源(例如80mV)提供連續(xù)的能量采集。其靜態(tài)電流小于330nA。
EH處理器
MCU功耗的規(guī)范也類似關(guān)注超低功耗應(yīng)用。技術(shù)上,功耗是流耗(μA或nA)與生成電壓(通常為mV)的乘積。在能量采集器的接收端,這個(gè)數(shù)字可能是μV。
IoT常見的設(shè)計(jì)目標(biāo)是盡可能減小啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)用器件的體積和流耗。系統(tǒng)模塊(除電源管理器件之外)包括傳感器、傳感器信號(hào)調(diào)理電路、微控制器(μA級(jí)流耗)和用以通知數(shù)據(jù)差異的通信器件(如低功耗藍(lán)牙,BLE)。
ARM Cortex M的各個(gè)版本都夸耀其看似極微的功耗,例如Atmel公司32位ARM Cortex M0+在活動(dòng)模式下的功耗為35μA/MHz。該處理器在睡眠模式下總共消耗200nA。美國科技博客ARS Technica上的博文“New ARM-powered chip aims for battery life measured in decades”指出,如果我們談?wù)摮志玫碾姵貕勖?,那對這款低功耗微控制器來說,就不僅僅是幾年,而是幾十年。
另一個(gè)例子,賽普拉斯半導(dǎo)體無線傳感器用能量采集PMIC具有長時(shí)間間隔中斷定時(shí)器模式,可通過利用長時(shí)間間隔待機(jī)來延長電池壽命。它與低功耗微控制器(如賽普拉斯的PSoC)配合工作。
MSP432是德州儀器版的ARM Cortex M,具有95µA/MHz的工作電流和850nA的待機(jī)電流。
當(dāng)然,TI在一份微控制器功耗教程中提出建議:實(shí)際的處理器功耗反映的是幾種不同工作情況的總和。工作情況包括活動(dòng)模式和睡眠模式。在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中,微控制器在大部分時(shí)間可能會(huì)休眠。因此,與數(shù)MHz時(shí)鐘下的響應(yīng)相比,睡眠模式功耗可能是更有用的指標(biāo)。
因此,延長電池壽命似乎完全與休眠和活動(dòng)所用時(shí)間的比例相關(guān)。TI建議,微控制器的功耗“不是一個(gè)數(shù)字”。
本文轉(zhuǎn)載至電子技術(shù)設(shè)計(jì)。
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