高度集成的小功率能量收集緊湊型解決方案

對于快速增長的市場，如身打扮或物聯(lián)網（IOT）互聯(lián)網，能量收集可以顯著提高電池壽命，甚至使無電池設計。在同一時間，但是，工程師設計身打扮和的IoT設備面對總設計大小和足跡顯著約束。為了滿足不斷增長的需求的小型化系統(tǒng)，設計人員可以轉向的高度集成的能量收集IC和芯片供應商提供的無線微控制器，包括Atmel公司，企業(yè)社會責任，飛思卡爾半導體，凌力爾特，美信集成，恩智浦半導體，Silicon Laboratories公司，意法半導體的數(shù)組，德州儀器，等等。能量收集提供了能夠利用環(huán)境，能源優(yōu)勢的應用帶來巨大的利益。設計師們采用能量采集技術，電力應用，從電機和發(fā)動機監(jiān)控鐵路軌道旁的電子產品。通常，這些應用程序是基于內置于發(fā)送取樣約環(huán)境或感興趣的事件的控制器，匯集商或其他主機（圖1）的數(shù)據無線傳感器的設計。

圖1：一個典型的能量采集應用相結合的電源管理與一個或多個傳感器，微控制器和無線收發(fā)機。 （德州儀器提供）不像其他的能量收集應用程序，但是，身打扮和物聯(lián)網設備共享需要一種包裝實質性的功能到盡可能小的包裝設計?，F(xiàn)在，設計人員可以利用多種選擇減少這些設計的尺寸和整體規(guī)模。例如，對于一個簡單的IoT定位應用，一個動態(tài)的NFC / RFID標簽，如意法半導體M24LR16E可以在一個包提供大部分所需的功能僅4.9×6.0中毫米大小。與典型的RFID標簽，從RF讀取器，或鄰近耦合裝置（VCD）接收的M24LR16E功率本身通過收獲RF能量。不像大多數(shù)RFID標簽，然而，M24LR16E還具有可用于功率附加裝置，例如一個MCU的能量采集模擬輸出。當處于能量采集模式下，M24LR16E-R輸出多余的能量即將從RF場出到VOUT模擬引腳。此外，設計人員可以使用該設備的調制接收的載波上的負載與視像速率高達53 Kbps的-無需單獨的無線RF收發(fā)器進行通信的能力。

緊湊型解決方案

對于很多物聯(lián)網應用和定位身打扮大多數(shù)設計，但是，工程師們需要依靠環(huán)境，能源和傳統(tǒng)的無線連接。對于這些設計，專門IC報價為關鍵子系統(tǒng)，包括能量采集，傳感器數(shù)據采集和無線通信的完整解決方案。采用高度集成的器件，工程師可以縮小能量采集的設計與先進的功能功能集成到非常緊湊的系統(tǒng)解決方案，包括只有兩三個IC和分立無源元件的最小補充。在這些解決方案的心臟，專門的能量收集裝置，如凌力爾特LTC3588-1和美信集成MAX17710集成DC / DC轉換器，電源管理電路，控制功能，更加超薄低調的包只有3毫米×3毫米大小。設計與MCU的輕松連接，這些設備只需要很少的外部組件來提供對MCU和其它電路（圖2）一個完整的能源采集電源。

圖2：設計人員可以通過組合與專門能量采集器IC，如線性技術LTC3588-1，這里配置了一個MCU從一個美迪技術V21BL壓電裝置收獲振動能量創(chuàng)建一個簡單的周圍供電雙芯片無線傳感器溶液。 （凌力爾特提供）設計用來直接與壓電或其他交流電源，線性LTC3588-1結合了低損耗全波橋式整流器具有高效率降壓轉換器。其結果是，該設備可以在外部電容器整流的AC電壓的波形，存儲所采集的能量，并提供一個穩(wěn)定的輸出電壓。與此相反，馬克西姆MAX17710設計有一個升壓調節(jié)器的控制器，以產生從低能量源的功率下降到大約1微瓦。的MAX17710還可以收取從低至0.75伏的源的能量存儲電池，使用內部調節(jié)器，以保護細胞過度充電。

集成功能

隨著單片能量采集電源，設計人員可以完成他們穿戴式或的IoT設計與一個范圍，結合一個MCU心部具有廣泛片上功能的設備，包括一個模擬 - 數(shù)字轉換器（ADC），用于傳感器-數(shù)據收集。雖然集成的模擬外設已經司空見慣，一類無線MCU的區(qū)分自己與片上集成了一個完整的RF收發(fā)器進行無線連接。同樣重要的是，這些設備擁有超低功耗要求，同時提供高精度數(shù)據轉換功能，以及需要對這些應用足夠的發(fā)射功率和接收靈敏度。例如，如Silicon Laboratories的Si1004無線MCU器件結合了8051兼容微控制器內核帶有片上閃存，10位300 k個樣本/秒的ADC，雙比較器，并能提供最高的片上RF收發(fā)器傳輸?shù)?13或+20 dBm的，所有的輸出功率在5毫米×7毫米42引腳的LGA封裝。與許多這些專門的低功率器件，所述Si1004設有多個低功率操作模式。在SILABS Si10xx系列器件具有僅為160μA/ MHz和300 nA的睡眠模式與內部RTC操作主動模式下的功耗。此外，Si1004包括一個內部DC / DC開關升壓轉換器，允許操作下降到0.9V。提供1.8的可編程輸出電壓范圍，以3.3 V時，內部DC / DC轉換器可以提供其它裝置的系統(tǒng)中，最多到65毫瓦的穩(wěn)壓的電力，或甚至高達100毫瓦在一些應用中。這種額外的供應增加了靈活性，用于連接傳感器和其它電路需要更高的電源電壓低于一定的能量采集應用提供。無線的MCU如SILABS Si1004旨在簡化連接到天線。事實上，Si1004可以用在一個TX / RX直接結構，而無需使用一個TX / RX開關（圖3）的。對于需要處理，如多徑衰落條件下提高性能的應用，設計人員可以利用天線分集支持集成到Si10xx無線MCU的片上EZRadioPRO?收發(fā)器，以提高無線性能達至10dB的優(yōu)勢。

圖3：無線微控制器，如Silicon Laboratories的Si1004支持簡單直接的領帶天線配置，但可以用于天線分集進行配置時，需要更大的范圍內。 （Silicon Laboratories公司提供）對于要求更高性能的應用程序，設計人員可以找到一系列強大的無線微控制器提供支持，在很寬的工作頻率范圍和連接協(xié)議。例如，企業(yè)社會責任CSR1011支持藍牙低功耗（BLE），而飛思卡爾半導體MKW22D512V和恩智浦半導體JN516x系列每個支持802.15.4的ZigBee。在這個類中的其他設備提供了非常先進的收發(fā)器功能，如無線網絡連接的“互聯(lián)網上的單芯片”網絡處理器集成在德州儀器SimpleLink CC3200。的CC3200結合了高性能的ARM Cortex-M4的MCU該網絡處理器模塊中的一個緊湊的9毫米×9毫米64針的設備。更高性能的內核意味著更高的功率要求，但CC3200可以在典型的無線傳感器應用低至120μA的低功耗深度睡眠模式占主導地位的狀態(tài)進行操作。設計師關心的功耗也可以向無線微控制器，如愛特梅爾ATSAMR21E18A，這是基于ARM最節(jié)能的核心，在Cortex-M0 +。

結論

身打扮和物聯(lián)網應用要求能夠提供先進的功能，以最小的功率要求緊湊的設計。專門的能量采集裝置的可用性使設計者不損害需要盡可能小的設計尺寸來驅動從周圍能量他們的設計。結合低功耗無線微控制器，高度集成的能量收集器IC使工程師能夠擠進完整的無線傳感器設計成能夠提供先進的功能，同時從環(huán)境，能源借鑒電力微小的系統(tǒng)。