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[導讀]據(jù)估計,物聯(lián)網(wǎng)每年會產生100多個zettabytes(萬億千兆字節(jié))的數(shù)據(jù),而這個數(shù)字只會增加。到2020年,平均家庭對這一數(shù)字的貢獻數(shù)據(jù)預計將增加五倍。創(chuàng)建數(shù)據(jù)不需要太多的計算

據(jù)估計,物聯(lián)網(wǎng)每年會產生100多個zettabytes(萬億千兆字節(jié))的數(shù)據(jù),而這個數(shù)字只會增加。到2020年,平均家庭對這一數(shù)字的貢獻數(shù)據(jù)預計將增加五倍。創(chuàng)建數(shù)據(jù)不需要太多的計算能力,因為可以使用最簡單的傳感器集線器捕獲,數(shù)字化和存儲數(shù)據(jù)。能夠檢測九軸運動的MEMS傳感器采用封裝,每側僅測量1或2毫米。這些微型設備和越來越多的傳感器構成了當今物聯(lián)網(wǎng)的核心,使端點能夠實時在線捕獲,處理和共享數(shù)據(jù)。

由于預計更多端點可以在有限的電源下運行,從他們的環(huán)境中收獲的能量,對超低功率運行的需求正在增加。端點可以是更大傳感器網(wǎng)絡的一部分,但也可能是遠程和隔離的。一旦投入使用,它們可能會運行多年而無需維護,包括更換電池。

制造商正忙于開發(fā)新的解決方案來應對這一設計挑戰(zhàn),使我們能夠設想可以收集和傳輸信息的設備需要任何外部電源。在可穿戴設備的情況下,這可能很快就會包括僅由佩戴者的身體或其活動提供動力的設備。

Energize!

為了說明如何實現(xiàn)這一點,請考慮塊如圖1所示。在大多數(shù)應用中,功率部分可以是各種電源管理器件中的任何一種,但對于超低功耗應用,選擇僅限于專門開發(fā)的解決方案,以最大限度地提高有限的可用功率,如收獲能源。

 

 

圖1:越來越多的集成解決方案現(xiàn)在主要針對主要來自收獲能源的應用。

圖2中的框圖顯示了使用ADI公司ADP5090電源管理單元的典型能量收集示例。

 

 

圖2:框圖基于ADI公司的ADP5090的能量收集應用。

這是一款集超大功率的超低功耗升壓穩(wěn)壓器點跟蹤(MPPT)和費用管理功能。 MPPT可配置為光電和熱電能源,工作范圍為16 W至200 mW。該器件可以從低至380 mV的電源電壓開始,僅從80 mV開始工作。它還支持使用可選的原電池,可以自動切換和切換。這款16引腳器件尺寸僅為3 mm×3 mm,體積小巧,功能強大,是許多物聯(lián)網(wǎng)應用的理想選擇。該器件由評估和演示套件ADP5090-2-EVALZ(圖3)提供支持,為開發(fā)能量收集應用提供了完美的平臺。

 

 

圖3:ADP5090-2-EVALZ為評估ADP5090超低功耗升壓穩(wěn)壓器提供了完美的平臺,該穩(wěn)壓器具有MPPT和ADI公司的充電管理功能。

表格中提供了另一種解決方案凌力爾特公司的LTC3588-1。與其他針對能量收集的PMIC一樣,它具有超低靜態(tài)電流。由于LTC3588設計用于帶有交流電的能源,如壓電發(fā)電機,因此LTC3588集成了低損耗全波橋式整流器和降壓穩(wěn)壓器(見圖4)。

 

 

圖4:凌力爾特公司的LTC3588-1納米級能量收集電源的框圖。

連接到Vin引腳的外部電容作為儲能器,輸出電容器構成調節(jié)輸出的一部分。該器件為降壓轉換器生成內部驅動軌,從而使輸入電容中的電荷能夠傳輸?shù)捷敵鲭娙?。該器件通過開啟和關閉降壓轉換器來工作。當輸入電壓足夠高時,降壓轉換器啟動。當它低于壓差電壓時,降壓轉換器被禁用,輸出由輸出電容保持。該滯后循環(huán)在正常操作期間重復,由外部電感器限定??梢允褂肈0和D1輸入設置輸出電壓至1.8 V,2.5 V,3.3 V或3.6 V.可以使用演示電路DC1459B-A-ND評估LTC3588-1的所有功能。

如果應用是從太陽能電池運行的無線傳感器,那么賽普拉斯半導體的S6AE101A可能是完美的解決方案。這種能量收集PMIC可與線性光源(如太陽能電池)配合使用,并且由于其低啟動功率僅需1.2μW,因此能夠在低至100 lux的光照條件下工作。還可以包括可選的主電池,以確保在無光條件下操作。圖5顯示了S6AE101A的框圖,顯示了主要特性,包括功率門控。

 

 

圖5:S6AE101A能量收集PMIC的框圖用于無線傳感器節(jié)點,來自賽普拉斯半導體公司。

該器件通過將存儲的電壓與閾值進行比較來運行。只要存儲的電壓超過閾值,輸出電壓就會自動啟用。一旦存儲的電壓降至閾值以下,就禁用輸出電壓。有效時間由總系統(tǒng)功耗決定,因此根據(jù)應用,電壓源和儲能電容器的大小而變化。還必須權衡發(fā)電機輸送能量的能力,以及充電存儲電容所需的時間??梢允褂瞄_發(fā)套件S6SAE101A00SA1002評估S6AE101A的所有功能。

連接

在我們的示例應用中,主要功能元件之一是RF收發(fā)器。由于對超低功耗無線網(wǎng)絡的需求增加,針對該應用領域的高度集成解決方案的數(shù)量不斷增加。最新增加的是Maxim Integrated的MAX7037,它是一款4頻段sub-GHz RF收發(fā)器,集成了8051微控制器和混合信號傳感器接口(圖6)。

 

 

圖6:Maxim Integrated的MAX7037是一款超低功耗四通道多通道收發(fā)器,適用于超低功耗無線傳感器網(wǎng)絡。

在一個控制下作為主處理器,MAX7037在發(fā)送模式下功耗僅為16 mA,在接收時功耗僅為22 mA,在深度睡眠模式下僅降至100 nA。設計用于全球ISM sub-GHz頻段,可配置為使用FFSK,F(xiàn)MSK或ASM調制在315,433,868或915-930 MHz下工作。

混合信號傳感器接口通過集成的9位sigma delta ADC支持模擬傳感器。主機CPU通過UART控制MAX7037,但默認情況下它作為SPI從機運行。在此模式下,其64 KB的片上閃存可以保存主機CPU編程的固件。 TEST0引腳控制器件是在編程模式還是運行模式下啟動。要評估MAX7030的功能,請查看MAX7037EVKIT。

另一種不需要主機CPU的替代且稍微集成的解決方案可能是德州儀器的CC1310,是SimpleLink的一部分家庭。如圖7所示,這款超低功耗sub-GHz無線MCU集成了ARM®Cortex®-M3內核和超低功耗傳感器控制器,可自主運行以節(jié)省系統(tǒng)功耗,以及完全集成的RF收發(fā)器能夠在315,433,470,500,779,868和915 - 920 MHz下工作。

 

 

圖7:德州儀器的CC1310是SimpleLink系列高度集成的無線MCU

添加傳感器

這種物聯(lián)網(wǎng)設備的核心是用于捕獲數(shù)據(jù)的傳感器。雖然存在多種形式的傳感器,但MEMS技術已經徹底改變了傳感器領域。

用于運動或醫(yī)療目的的可穿戴技術中的常見用例包括心率監(jiān)測和脈搏血氧測定。這些功能通常使用LED和光電二極管來實現(xiàn)。歐司朗光電半導體的SFH7050 BioMon傳感器就是一個很好的例子。它集成了三個發(fā)射器(綠色,紅色和紅外)和一個探測器,單個封裝尺寸僅為4.7 mm×2.5 mm×0.9 mm。

可穿戴設備中常用的其他形式的感應包括運動感應,以及在這里,MEMS傳感器在功能,尺寸和功率方面表現(xiàn)出色。許多制造商現(xiàn)在將幾種類型的傳感器集成到一個設備中,這使得更容易將功能添加到可以不顯眼地佩戴或攜帶的小型產品中。

例如,TDK InvenSense的ICM-20789是帶有集成壓力傳感器的6軸MEMS運動傳感器。它具有3軸陀螺儀和3軸加速度計,并輔以壓力傳感器,可用于跟蹤高度變化。運動和壓力傳感器由其自身的溫度傳感器支持,以進行校準。然而,溫度測量也可以由主機應用程序使用。

MEMS傳感器由數(shù)字運動處理器(DMP)連接,采用CMOS實現(xiàn),晶圓級封裝測量傳感器僅4毫米×4毫米×1.365毫米。雖然主機系統(tǒng)的主要接口是I 2 C,但是使用API在DMP上運行的驅動程序訪問和控制設備的功能。這樣可以配置傳感器參數(shù)和輸出數(shù)據(jù)速率,以及模式(低功耗或低噪聲)和I 2 C/SPI接口。

所有可以使用DK-20789 SmartMotion平臺評估這些功能,該平臺提供基于GUI的開發(fā)環(huán)境來控制和配置設備,以及捕獲和可視化它產生的數(shù)據(jù)。

全部使用

上述組件的組合可用于我們的假設應用程序。表1顯示了每個器件的相關電氣特性。

應該注意的是,本文中介紹的每個器件的功率要求在運行期間會有很大差異,具體取決于模式,啟動時的浪涌 - 向上和環(huán)境條件。表1中提供的數(shù)字僅供參考,并不是確定的。

V(見注1)I(見注1)能量(見注2)ADP5090 3 V 100 mA 30mJ LTC3588-1 3.3 V 950 nA 31.35μJS6AEAE101A3.3 V 250nA8.25μJMAX70373.3 V 26mA858μJCC13103.6 V 30 mA 1.08mJ SFH7050 1.8 V 125 mA 2.25mJ ICM-20789 1.8 V 3mA54μJ

注:

根據(jù)制造商的數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)估算 - 這些數(shù)字與負載有關,僅供參考。

使用公式1計算,基于10 ms的周期性接通時間

等式1:

 

 

公式2:

 

 

表1:本文所述設備的能源需求說明。

表1中所示的能量數(shù)據(jù)是使用應用說明AN210772:“用S6AE101A,S6AE102A和S6AE103A進行能量收集的能量計算”中詳述的等式計算的。它由賽普拉斯半導體公司生產,用于支持其S6AE101A/2A/3A系列能量收集PMIC,以更好地估算給定應用的能量需求。

雖然它們是非常粗略的估計,但通過使用這些數(shù)字作為起點我們可以開始為我們的應用建立能源預算。通過假設10 ms的周期性接通時間,選擇表1中突出顯示的組件表明我們假設的IoT設備將消耗大約3.4 mJ。如果我們將這個數(shù)字放入公式2,我們可以估計我們的應用需要一個至少1000μF的充電電容。

當然,這可以根據(jù)應用進行優(yōu)化,但它可以在至少表明,使用目前可用的解決方案,理論上可以開發(fā)出一種由收集能量驅動的高功能可穿戴設備。

結論

粗略研究可用于開發(fā)超低功耗的解決方案從收獲的能量運行的無線傳感器網(wǎng)絡表明開發(fā)這些應用是完全可行的。隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷擴展,半導體制造商將抓住機會滿足對功耗更低的設備的需求,這是可靠的。

使用當今的技術,可以創(chuàng)造一個功能強大的自我 - 使用遠程,低功率無線連接的有限能量預算的有源物聯(lián)網(wǎng)設備,前提是它只需要不經常傳輸數(shù)據(jù)并且可以獲得足夠的“自由”能量。

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