用于能量收集應(yīng)用設(shè)計的開發(fā)套件介紹

“零功率”設(shè)備使用來自環(huán)境源的能量，帶來了重大的電源管理挑戰(zhàn)。能夠有效收集能量的電路必須響應(yīng)不斷變化的電力需求，同時消耗可忽略的能量。通過使用開發(fā)套件，工程師可以快速獲得設(shè)計能量收集應(yīng)用的經(jīng)驗并加速新產(chǎn)品開發(fā)。能量收集開發(fā)套件通常提供完整的零功率樣品應(yīng)用設(shè)計，可從Cymbet，EnOcean，Microchip，Silicon Labs和Texas Instruments等供應(yīng)商處獲得。

能量收集設(shè)計需要特別注意待機和峰值功率需求，因為它們所依賴的環(huán)境源僅提供微瓦的瞬時功率（見圖1）。待機模式下的有效設(shè)計必須為應(yīng)用提供足夠的功率，并且通常還必須為具有低自放電的電力存儲設(shè)備充電，例如薄膜電池，超級電容器或兩者。

在高需求期間，存儲設(shè)備必須提供足夠的容量來處理峰值負(fù)載，并仍保留足夠的電量以安全地返回待機模式。在一些能量收集應(yīng)用中，峰值功率需求可能很大。例如，在設(shè)備必須對傳感器進(jìn)行采樣并同時傳輸數(shù)據(jù)的時段期間，零功率無線傳感器通常需要超過10mA，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于可直接從環(huán)境源獲得的功率水平。

圖1：能量收集設(shè)計主要是能源管理的一項練習(xí)，需要能夠使用薄膜器件處理能量輸入，功率輸出和能量存儲的高效電路或超級電容器。 （來源：SiLabs。）工程師熟悉設(shè)計有效功率預(yù)算的挑戰(zhàn)。然而，能量收集產(chǎn)生了關(guān)于如何平衡能量可用性和電力利用率的新問題。特別是，工程師需要關(guān)注系統(tǒng)初始化需求，特別是在冷啟動期間，當(dāng)能量收集系統(tǒng)啟動或重啟而沒有存儲電源時。出現(xiàn)這種情況是因為設(shè)備已關(guān)閉或因為其主要能源長時間不可用。例如，光源無線傳感器在黑暗中長時間后必須冷啟動。

要成功管理冷啟動，工程師必須設(shè)計具有啟動程序的應(yīng)用程序，能夠延遲耗電的初始化程序，直到功率水平達(dá)到所需閾值。例如，設(shè)計可能需要在首次上電時立即切換到低功耗狀態(tài)，然后等待能量收集子系統(tǒng)累積足夠的功率進(jìn)行初始化以安全地繼續(xù)完成，或者繼續(xù)進(jìn)行下一步的初始化序列。

隨著能源的出現(xiàn)，工程師可以按要求的順序開啟不同的子系統(tǒng)，以維持進(jìn)一步的能量收集和應(yīng)用處理。例如，許多用于能量收集應(yīng)用的半導(dǎo)體器件包括用信號通知可用能量已達(dá)到某個閾值的電路的機制。反過來，微控制器單元（MCU）或其他控制電路可以使用這些信號來實現(xiàn)具有單獨功率利用水平的更復(fù)雜的活動序列。

能量收集設(shè)計套件為這些關(guān)鍵電源管理問題提供經(jīng)過驗證的硬件和軟件解決方案。軟件開發(fā)資源為工程師提供了監(jiān)控能源生產(chǎn)的機制，并嘗試使用替代方案來平衡能源使用和收集。大多數(shù)工具包都預(yù)先配置了特定的應(yīng)用程序，或提供詳細(xì)的設(shè)計信息來構(gòu)建一個。

例如，德州儀器（TI）將其eZ430-RF2500-SEH傳感器監(jiān)視器預(yù)先配置為零功率無線傳感器節(jié)點。工程師可以監(jiān)控節(jié)點在個人計算機上的活動。除了基于微控制器的完整硬件補充 - 包括太陽能電池板和一對EnerChip薄膜可充電存儲設(shè)備 - TI還為該套件預(yù)裝了可編程無線溫度傳感器節(jié)點的固件。節(jié)點可以測量自己的溫度，從其他節(jié)點接收數(shù)據(jù)，并通過套件提供的USB連接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C。 TI的套件通過充電控制模塊滿足能量收集的特定電源管理需求，該模塊可持續(xù)監(jiān)控升壓轉(zhuǎn)換器的輸出并管理電池充電和放電周期（參見圖2）。

圖2：太陽能收集模塊是德州儀器（TI）eZ430-RF2500-SEH開發(fā)套件的核心，依靠電源管理模塊來防止存儲設(shè)備在低光照條件下放電過深。來源：德州儀器（TI）

Microchip提供一對能量收集開發(fā)套件：用于射頻能量收集的TPWR001套件和用于太陽能收集的DV164133套件。 TPWR001設(shè)計為使用環(huán)境射頻能量的完整無線應(yīng)用，可為RF傳感器，溫度傳感器，樓宇自動化和安全等低功耗應(yīng)用提供服務(wù)。該套件包括一個3 W Powercaster變送器作為電源，帶有兩個P2110 Powerharvester接收器評估板，兩個定制設(shè)計的無線傳感器板，一個IEEE 802.15.4收發(fā)器和預(yù)先配置了無線傳感器的Microchip PIC 16位MCU開發(fā)板應(yīng)用軟件。該套件通過Microchip免費的MPLAB集成開發(fā)環(huán)境（IDE）和PICkit 3編程器和調(diào)試器支持軟件開發(fā)和編程。

Microchip包括兩個帶有DV164133套件的Cymbet EnerChip設(shè)備，以及適用于室內(nèi)或室外燈的太陽能電池板。該套件依靠其PIC24F MCU來監(jiān)控基于Microchip和Cymbet開發(fā)的Energy Aware軟件算法的功率調(diào)節(jié)和容量。使用套件的USB連接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C，工程師可以探索通過能量收集平衡功率和優(yōu)化功率使用的替代方案。

除了自己的EDK 300基線開發(fā)套件外，EnOcean還提供一系列用于不同類型能源的附加裝置，包括環(huán)境太陽能和熱源。工程師可以從EnOcean EDK 300或300C基本開發(fā)套件開始，并通過EDK 310 Solar Developer套件升級或EDK 312 Thermo Developer套件升級擴展設(shè)計。 EnOcean的套件包括應(yīng)用程序編程接口，可以訪問EnOcean Dolphin軟件堆棧和支持函數(shù)庫（參見圖3）。

圖3：EnOcean的開發(fā)套件包括與其Dolphin平臺接口的應(yīng)用程序編程以及從電路板支持到電源管理的軟件堆棧。 （資料來源：EnOcean。）

Cymbet將CBC-EVAL-09設(shè)計為通用能量收集評估套件，工程師可將其連接到各種能量傳感器，例如隨套件提供的太陽能電池。該套件包括Cymbet的EnerChip EP CBC915-ACA能量處理器和EnerChip CBC51100100μAh固態(tài)電池模塊，該模塊包含一對并聯(lián)50μAh的EnerChip器件。

Silicon Labs（SiLabs）ENERGY-HARVEST-RD套件是基于SiLabs無線設(shè)備的超低功耗無線傳感器的參考設(shè)計。除了用于數(shù)據(jù)通信的無線加密狗外，該套件還包括一個基于該公司Si1012無線MCU的無線傳感器節(jié)點。該設(shè)計使用太陽能收集，僅需50 lux即可在待機模式下運行。這使得工程師可以嘗試在低光照條件下長期運行的設(shè)計。

能量收集在零功率設(shè)計方面具有巨大潛力，例如無線傳感器節(jié)點，溫度傳感器和安全設(shè)備。設(shè)計有效的能量收集解決方案需要克服熟悉的電源管理挑戰(zhàn)。能量收集開發(fā)套件提供了一種快速獲得設(shè)計能量收集系統(tǒng)（包括半導(dǎo)體設(shè)備）經(jīng)驗的有效方法。