基于超低耗微控制器LC87F7932的電路設(shè)計

近年來，能量采集主題在電子設(shè)計界內(nèi)引起了極大的興趣。通過該程序能夠捕獲、采集到少量能量，然后被電子設(shè)備元件所使用，能夠完成簡單的任務(wù)，而不需在系統(tǒng)設(shè)計中嵌入常規(guī)電源。但是，為了有效實施，在規(guī)定的組成部件以及系統(tǒng)布局方面，該系統(tǒng)需要以最大可能的效率水平進行操作。下文將討論多項技術(shù)難題，并說明創(chuàng)新性數(shù)字、模擬和電源管理半導(dǎo)體技術(shù)在克服這些技術(shù)難題方面是如何發(fā)揮關(guān)鍵作用。

目前，使用能量采集（或挖掘）技術(shù)的應(yīng)用包括樓宇自動化系統(tǒng)、遠程監(jiān)視器/數(shù)據(jù)采集裝置，以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。由于采集技術(shù)不依賴于常規(guī)的電源形式，因而具有兩個關(guān)鍵的生態(tài)效益。首先，它不會導(dǎo)致化石燃料儲量耗竭；其次，不會加劇污染程度（原因是不會產(chǎn)生碳排放，也不用一次性電池）。除了省去接線或電纜布線需求以及由此產(chǎn)生的便利性，原始設(shè)備制造（OEM）和系統(tǒng)集成商此類實施的實際優(yōu)勢在于，一旦安裝到位，由于沒有費用單或要求跳閘以更換電池的高額費用等，其實際上沒有日常運轉(zhuǎn)費用。

采集所需能量

從環(huán)境中采集能量的方法很多（取決于最適合具體應(yīng)用設(shè)置的方法），產(chǎn)生的功率水平通常在10 μW至400 μW范圍內(nèi)。在使用的機制中，存在溫度差、動力（通常通過振動運動）、太陽能、壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)和電磁效應(yīng)。但是，太陽能有可能成為例外，能量采集是“免費”能量的觀點不完全準確。基于振動或熱梯度的能源利用該系統(tǒng)的大量能源垃圾，因此需要納入維修和維護成本。

現(xiàn)實世界應(yīng)用的能源范圍指示

通過采集程序產(chǎn)生的電源可有很多種用途，例如：

開關(guān)（樓宇自動化）-用于打開或關(guān)閉開關(guān)的機械力足以產(chǎn)生數(shù)毫焦（mJ）的能量，以運行無線傳輸器，發(fā)送一個射頻信號來驅(qū)動門插銷或燈。由于不需要接線，該方法便于操作且美觀實用。

溫度傳感器（樓宇自動化）-環(huán)境空氣與加熱器之間的溫差能夠提供所需電源，采用無線方式將溫度數(shù)據(jù)發(fā)回至調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

空氣調(diào)節(jié)（樓宇自動化）-通過電磁感應(yīng)，可以利用空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)管道的振動產(chǎn)生的電信號，也能夠通過該信號控制空氣調(diào)節(jié)。

遠程監(jiān)控（工業(yè)/環(huán)境）-可以是無人監(jiān)控的氣象站、化工廠氣體傳感系統(tǒng)或海嘯報警系統(tǒng)。一塊太陽能電池或小型風(fēng)力渦輪機就可提供所需能量。

醫(yī)學(xué)植入體（醫(yī)療保?。?例如血糖監(jiān)測儀，通過熱量或身體運動。放在病人皮膚上的低功耗無線收發(fā)器將數(shù)據(jù)反饋至中樞，且無需任何電池（以此提高病人的舒適度，并降低產(chǎn)生的不便）。

手表（消費者）-能夠使用太陽能或動能運行無電池的計時器。

輪胎氣壓監(jiān)測（TPMS，自動的）-使用表面聲波（SAW）傳感技術(shù)，能夠避免因安裝支持每個車輪上溫度/壓力傳感器所需的電池和復(fù)雜電子設(shè)備而產(chǎn)生的問題，以此降低材料清單費用和所需的工程資源。

系統(tǒng)設(shè)計要素

僅電源的μW發(fā)揮作用時，盡可能對其充分利用顯然至關(guān)重要。工程師需要努力工作以避免損耗。這涉及硬件和軟件的考量，能夠通過實施高效的組成部件以及確保完全的設(shè)計優(yōu)化來實現(xiàn)。電子系統(tǒng)必須由低壓電路組成，并提供電源智能管理。由于這些系統(tǒng)操作的偶發(fā)性，很多情況下，采集能量的時間與隨后應(yīng)用能量的時間之間沒有直接關(guān)系，也可能需要考慮能量儲存。使用的儲存方法必須為低壓，具有高充電電流和中等放電性能，也可能沒有自放電能力。位于系統(tǒng)中心的數(shù)字集成電路，必須能夠提供遠大于處理器的性能，以完成系統(tǒng)任務(wù)，同時能夠支持低壓操作，確保不超過功率預(yù)算。另外，集成電路必須足夠劃算，確保其實施不會對系統(tǒng)的總體費用產(chǎn)生太大影響，否則該系統(tǒng)將由于標(biāo)價過高，而無法證明已探討的很多能量采集應(yīng)用中的部署是合理的。

通常，如果需要提升性能水平、獲得更大的優(yōu)化或提高集成度，OEM將考慮采取定制方法，并從項目開始時與特定應(yīng)用集成電路（ASIC）供應(yīng)商接洽。但是，由于這種方法要求大量的前期金融投資以支付NRE成本，因此通常不可行。其后必須有足夠高的單位體積以收回投資。很多能量采集應(yīng)用沒有足夠大的單位體積構(gòu)成以采用該方法，但是相反，如果沿用僅將現(xiàn)成部件結(jié)合在一起的方法，工程師就不太可能最大化系統(tǒng)的效率。更加糟糕的是，開發(fā)程序有可能要求大量時間和工程資源。