一個電感式能量收集電源電路設(shè)計

智能互聯(lián)產(chǎn)品的快速部署推動了對無線開關(guān)的需求，并促進(jìn)了設(shè)備的互聯(lián)。由于是無線開關(guān)，因此不需要另外連接電線，而且方便布置。然而，由于近些年采用的無線開關(guān)都是電池供電型開關(guān)，無形中增加了設(shè)計成本和復(fù)雜性，并且用戶還需要進(jìn)行電池更換。解決方案可能要依賴電感形式的能量收集。

環(huán)境能量有很多來源，包括光子、射頻能量、振動、溫差和壓力。然而，本文將介紹一個電感式能量收集參考設(shè)計；該設(shè)計采用一種基于藍(lán)牙和Eddystone開放式信標(biāo)協(xié)議的新穎方法，使用了ONSemiconductor和ZFElectronics兩家公司的零件。

通過將該設(shè)計和相關(guān)開發(fā)套件配套在一起，將能為超低功耗藍(lán)牙5.0模塊提供以無線方式向支持藍(lán)牙的中樞或智能產(chǎn)品發(fā)送信號所需的全部電能。

超低功耗設(shè)計

ONSemiconductor的BLE-SWITCH001-GEVB開發(fā)套件將直接替代藍(lán)牙5.0模塊與能量收集機(jī)械開關(guān)結(jié)合在一起，為開發(fā)人員提供了一種即時的無線開關(guān)解決方案，并為定制無線開關(guān)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。在此設(shè)計中，ZFElectronics的AFIG-0007電感式能量采集器將為ONSemiconductor的RSL10藍(lán)牙5系統(tǒng)級封裝（SiP）提供充足電能，使之足以傳輸?shù)凸乃{(lán)牙（BLE）信標(biāo)。接收到信標(biāo)之后，智能產(chǎn)品或中樞中支持BLE的接收器就可以執(zhí)行相關(guān)操作，以控制燈、繼電器或其他設(shè)備。

這種無電池設(shè)計的關(guān)鍵在于，RSL10對信標(biāo)傳輸?shù)墓β室笈cAFIG-0007產(chǎn)生足夠電能以滿足這些要求的能力之間能否完美匹配。

RSL10模塊專為滿足低功耗無線連接的新興需求而設(shè)計，它集成了多個功能塊，可提供完整的藍(lán)牙5解決方案（圖1）。為進(jìn)行處理，該模塊配有兩個內(nèi)核，一個是負(fù)責(zé)通用處理的Arm?Cortex?-M3內(nèi)核，另一個是針對特定應(yīng)用的ONSemiconductor自有LPDSP3232位數(shù)字信號處理器（DSP）內(nèi)核。

該模塊使用多個外設(shè)和存儲器（包括384KB閃存、76KB程序存儲器和88KB數(shù)據(jù)存儲器）來支持上述處理器。為進(jìn)行藍(lán)牙通信，該模塊配有支持藍(lán)牙物理層（PHY）的2.4千兆赫（GHz）射頻前端，以及支持高級藍(lán)牙5.0協(xié)議的基帶控制器。

RSL10能夠在1.1-3.3伏的寬電源電壓范圍內(nèi)運(yùn)行，并且耗電量極低。使用嵌入式微處理器基準(zhǔn)評測（EEMB）協(xié)會的ULPMark超低功耗（ULP）基準(zhǔn)，RSL10在3伏電源下運(yùn)行時可達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先的1090分，在2.1伏電源下運(yùn)行時可達(dá)到1360分。

然而在許多無線應(yīng)用中，支持重復(fù)長時間無線事務(wù)處理所需的電力可能會考驗這一最高能效設(shè)計的極限。ONSemiconductor的參考設(shè)計解決了如何利用藍(lán)牙信標(biāo)協(xié)議實現(xiàn)了較短的無線事務(wù)處理時間。

信標(biāo)是符合藍(lán)牙廣告協(xié)議的短消息，用于向任何可用的偵聽器廣播標(biāo)識符或其他短數(shù)據(jù)片段。通過與專用移動應(yīng)用配合使用，信標(biāo)在零售、娛樂、交通運(yùn)輸和其他公共場合得到了廣泛應(yīng)用，提供與用戶位置相關(guān)的信息。ONSemiconductor的無線開關(guān)設(shè)計使用一種特殊的信標(biāo)，稱為Eddystone信標(biāo)。

Eddystone信標(biāo)遵循一個開放標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了與數(shù)據(jù)包（長度僅為幾字節(jié)）相關(guān)的包絡(luò)和數(shù)據(jù)有效載荷。對于Eddystone信標(biāo)，有效載荷格式可以指定一個唯一的ID（UUID）、一個URL或不同類型的遙測（TLM）數(shù)據(jù)，如溫度（圖2）。

在找到Eddystone信標(biāo)后，接收應(yīng)用就能執(zhí)行與該UUID相關(guān)的操作，并將用戶發(fā)送到該URL，或者對遙測數(shù)據(jù)作出適當(dāng)響應(yīng)。

能量收集來源

Eddystone信標(biāo)的傳輸時間可能短至10毫秒（ms），并且使用超低功耗的RSL10，完成這種傳輸所需的能量可低至100毫焦（mJ），這一數(shù)值完全在AFIG-0007能量采集器的發(fā)電能力范圍內(nèi)。

在AFIG-0007內(nèi)，線圈圍繞在與磁塊接觸的金屬磁芯周圍（圖3，左圖）。當(dāng)用戶按下彈簧式致動器時，磁塊會發(fā)生移動（圖3，右圖）。此項操作會使通過線圈的磁場極性發(fā)生逆轉(zhuǎn)，從而根據(jù)磁感應(yīng)原理產(chǎn)生電能脈沖。松開致動器會使磁塊彈回原始位置，產(chǎn)生另一個具有相反極性的能量脈沖。

ZF能量采集器尺寸為20x7x15毫米（mm），預(yù)期壽命為1，000，000次開關(guān)循環(huán)，符合無線開關(guān)設(shè)計的關(guān)鍵機(jī)械和物理要求。AFIG-0007還能輕松滿足此設(shè)計的能源要求。ZF能夠在每個按下和松開致動循環(huán)中產(chǎn)生約300mJ的能量，這為RSL10提供了充足的電力來傳輸兩到三個Eddystone信標(biāo)。除這兩個零件外，無線開關(guān)設(shè)計的實現(xiàn)只需添加其他少量元件便可完成能量收集電源電路。

能量收集電源電路設(shè)計

通常情況下，能量收集電源電路需要組合使用電壓轉(zhuǎn)換器和線圈，以使產(chǎn)生的電壓電平達(dá)到微控制器所需的精確電平。在此設(shè)計中，RSL10的1.1至3.3伏寬供電范圍簡化了電源電路的設(shè)計。AFIG-007的輸出由NSR1030肖特基全橋整流器進(jìn)行整流，并由一個簡單電路進(jìn)行箝位，該電路包括一個SZMM3Z6V2ST1G齊納二極管、一個濾波/儲能電容器（C1）以及一個NCP170低壓差（LDO）穩(wěn)壓器，所有這些零件都來自O(shè)NSemiconductor（圖4）。

ONSemiconductor的BLE-SWITCH001-GEVB套件將AFIG-007以及上述電源電路與RSL10集成在一個大小為23x23mm的電路板上（圖5）。

7mm寬的中心區(qū)域包含了核心組件，而可拆卸翼板則提供了多個開發(fā)接口，包括一個用于標(biāo)準(zhǔn)適配器（如Tag-Connect的TC2050-IDC）的10引腳JTAG/SWD接口。除了10引腳接口外，該側(cè)翼板還提供了用于跳線和外部3.3伏電源（Vout）的針座，以便使用連接的JTAG編程器（例如SeggerMicrocontrollerSystems的8.16.28J-LINKULTRA+）進(jìn)行編程和調(diào)試。

開關(guān)電路設(shè)計

BLE-SWITCH001-GEVB電路板已預(yù)裝固件，每20ms發(fā)送一次Eddystone信標(biāo)，直到系統(tǒng)耗盡單次開關(guān)致動產(chǎn)生的電量。在此應(yīng)用示例中，設(shè)計首先發(fā)送一個包含URL“https://onsemi.com/idk”的Eddystone-URL幀。發(fā)送完這個初始幀之后，該設(shè)計會傳輸內(nèi)含遙測數(shù)據(jù)的EddystoneTLM幀，其中包括開關(guān)的電源電壓、正常運(yùn)行時間以及到目前為止所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包總數(shù)。

ONSemiconductor的RSL10Eddystone示例軟件展示了構(gòu)建和發(fā)送幀的基本設(shè)計模式（清單1）。如清單1所示，開發(fā)人員調(diào)用函數(shù)EddyService_Env_Initialize（）將針對Eddystone-URL幀的有效載荷加載到Eddystone環(huán)境結(jié)構(gòu)eddy_env_tag。為了發(fā)送信標(biāo)，開發(fā)人員調(diào)用了Eddy_GATTC_WriteReqInd（）函數(shù)，該函數(shù)用于構(gòu)建封裝，利用RSL10的AES加密加速器對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，然后將消息發(fā)送（ke_msg_send（））到傳輸隊列。較低的服務(wù)層用于檢索排隊的消息，構(gòu)建數(shù)據(jù)包，和進(jìn)行傳輸。

傳輸?shù)男艠?biāo)可被范圍內(nèi)任何支持BLE的主機(jī)檢測到，或者被附近使用信標(biāo)應(yīng)用的移動設(shè)備（如ONSemiconductor的RSL10移動應(yīng)用）顯示。若要通過無線開關(guān)控制設(shè)備，開發(fā)人員可以使用ONSemiconductor基于RSL10的BDK-GEVKBLE物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)套件來處理信標(biāo)并執(zhí)行相關(guān)操作。例如，開發(fā)人員可將BDK-GEVK基板和ONSemiconductor的D-LED-B-GEVK雙LED鎮(zhèn)流器板結(jié)合使用，利用無線開關(guān)實現(xiàn)對燈的控制。在設(shè)計電機(jī)驅(qū)動型應(yīng)用時，開發(fā)人員可以將基板與ONSemiconductor的BLDC-GEVK無刷直流電機(jī)驅(qū)動器板或D-STPR-GEVK步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器板組合在一起。

最后部署無線開關(guān)時，開發(fā)人員只需將兩個翼板拆下，只留一個包含所有功能器件的7x23mm組件即可（圖6）。

由于ZF致動器位于組件的后端，因此在像CWIndustriesGIL-2000-2010這樣的空殼中可以放置在搖臂開關(guān)下面。

總結(jié)

無線開關(guān)為快速增長的智能產(chǎn)品控制需求提供了一種免維護(hù)的解決方案。然而，由于傳統(tǒng)的無線設(shè)計需要電池才能運(yùn)行，因而增加了設(shè)計成本和復(fù)雜性，且用戶也不得不處理電池管理和更換事宜。ONSemiconductor的參考設(shè)計在很大程度上解決了這些問題，這種設(shè)計利用能量收集技術(shù)，為超低功耗藍(lán)牙5.0模塊提供了所需的全部電能，能以無線方式向支持藍(lán)牙的中樞或智能產(chǎn)品發(fā)送信號。