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高度集成的小功率能量收集紧凑型解决方案

2019-02-08

 对于快速增长的市场,如身打扮或物联网(IOT)互联网,能量收集可以显著提高电池寿命,甚至使无电池设计。在同一时间,但是,工程师设计身打扮和的IoT设备面对总设计大小和足迹显著约束。为了满足不断增长的需求的小型化系统,设计人员可以转向的高度集成的能量收集IC和芯片供应商提供的无线微控制器,包括Atmel公司,企业社会责任,飞思卡尔半导体,凌力尔特,美信集成,恩智浦半导体,Silicon Laboratories公司,意法半导体的数组,德州仪器,等等。能量收集提供了能够利用环境,能源优势的应用带来巨大的利益。设计师们采用能量采集技术,电力应用,从电机和发动机监控铁路轨道旁的电子产品。通常,这些应用程序是基于内置于发送取样约环境或感兴趣的事件的控制器,汇集商或其他主机(图1)的数据无线传感器的设计。
 
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图1:一个典型的能量采集应用相结合的电源管理与一个或多个传感器,微控制器和无线收发机。 (德州仪器提供)不像其他的能量收集应用程序,但是,身打扮和物联网设备共享需要一种包装实质性的功能到尽可能小的包装设计。现在,设计人员可以利用多种选择减少这些设计的尺寸和整体规模。例如,对于一个简单的IoT定位应用,一个动态的NFC / RFID标签,如意法半导体M24LR16E可以在一个包提供大部分所需的功能仅4.9×6.0中毫米大小。与典型的RFID标签,从RF读取器,或邻近耦合装置(VCD)接收的M24LR16E功率本身通过收获RF能量。不像大多数RFID标签,然而,M24LR16E还具有可用于功率附加装置,例如一个MCU的能量采集模拟输出。当处于能量采集模式下,M24LR16E-R输出多余的能量即将从RF场出到VOUT模拟引脚。此外,设计人员可以使用该设备的调制接收的载波上的负载与视像速率高达53 Kbps的-无需单独的无线RF收发器进行通信的能力。

紧凑型解决方案

对于很多物联网应用和定位身打扮大多数设计,但是,工程师们需要依靠环境,能源和传统的无线连接。对于这些设计,专门IC报价为关键子系统,包括能量采集,传感器数据采集和无线通信的完整解决方案。采用高度集成的器件,工程师可以缩小能量采集的设计与先进的功能功能集成到非常紧凑的系统解决方案,包括只有两三个IC和分立无源元件的最小补充。在这些解决方案的心脏,专门的能量收集装置,如凌力尔特LTC3588-1和美信集成MAX17710集成DC / DC转换器,电源管理电路,控制功能,更加超薄低调的包只有3毫米×3毫米大小。设计与MCU的轻松连接,这些设备只需要很少的外部组件来提供对MCU和其它电路(图2)一个完整的能源采集电源。
 
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图2:设计人员可以通过组合与专门能量采集器IC,如线性技术LTC3588-1,这里配置了一个MCU从一个美迪技术V21BL压电装置收获振动能量创建一个简单的周围供电双芯片无线传感器溶液。 (凌力尔特提供)设计用来直接与压电或其他交流电源,线性LTC3588-1结合了低损耗全波桥式整流器具有高效率降压转换器。其结果是,该设备可以在外部电容器整流的AC电压的波形,存储所采集的能量,并提供一个稳定的输出电压。与此相反,马克西姆MAX17710设计有一个升压调节器的控制器,以产生从低能量源的功率下降到大约1微瓦。的MAX17710还可以收取从低至0.75伏的源的能量存储电池,使用内部调节器,以保护细胞过度充电。

集成功能

随着单片能量采集电源,设计人员可以完成他们穿戴式或的IoT设计与一个范围,结合一个MCU心部具有广泛片上功能的设备,包括一个模拟 - 数字转换器(ADC),用于传感器-数据收集。虽然集成的模拟外设已经司空见惯,一类无线MCU的区分自己与片上集成了一个完整的RF收发器进行无线连接。同样重要的是,这些设备拥有超低功耗要求,同时提供高精度数据转换功能,以及需要对这些应用足够的发射功率和接收灵敏度。例如,如Silicon Laboratories的Si1004无线MCU器件结合了8051兼容微控制器内核带有片上闪存,10位300 k个样本/秒的ADC,双比较器,并能提供最高的片上RF收发器传输的+13或+20 dBm的,所有的输出功率在5毫米×7毫米42引脚的LGA封装。与许多这些专门的低功率器件,所述Si1004设有多个低功率操作模式。在SILABS Si10xx系列器件具有仅为160μA/ MHz和300 nA的睡眠模式与内部RTC操作主动模式下的功耗。此外,Si1004包括一个内部DC / DC开关升压转换器,允许操作下降到0.9V。提供1.8的可编程输出电压范围,以3.3 V时,内部DC / DC转换器可以提供其它装置的系统中,最多到65毫瓦的稳压的电力,或甚至高达100毫瓦在一些应用中。这种额外的供应增加了灵活性,用于连接传感器和其它电路需要更高的电源电压低于一定的能量采集应用提供。无线的MCU如SILABS Si1004旨在简化连接到天线。事实上,Si1004可以用在一个TX / RX直接结构,而无需使用一个TX / RX开关(图3)的。对于需要处理,如多径衰落条件下提高性能的应用,设计人员可以利用天线分集支持集成到Si10xx无线MCU的片上EZRadioPRO®收发器,以提高无线性能达至10dB的优势。
 
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图3:无线微控制器,如Silicon Laboratories的Si1004支持简单直接的领带天线配置,但可以用于天线分集进行配置时,需要更大的范围内。 (Silicon Laboratories公司提供)对于要求更高性能的应用程序,设计人员可以找到一系列强大的无线微控制器提供支持,在很宽的工作频率范围和连接协议。例如,企业社会责任CSR1011支持蓝牙低功耗(BLE),而飞思卡尔半导体MKW22D512V和恩智浦半导体JN516x系列每个支持802.15.4的ZigBee。在这个类中的其他设备提供了非常先进的收发器功能,如无线网络连接的“互联网上的单芯片”网络处理器集成在德州仪器SimpleLink CC3200。的CC3200结合了高性能的ARM Cortex-M4的MCU该网络处理器模块中的一个紧凑的9毫米×9毫米64针的设备。更高性能的内核意味着更高的功率要求,但CC3200可以在典型的无线传感器应用低至120μA的低功耗深度睡眠模式占主导地位的状态进行操作。设计师关心的功耗也可以向无线微控制器,如爱特梅尔ATSAMR21E18A,这是基于ARM最节能的核心,在Cortex-M0 +。

结论

一身打扮和物联网应用要求能够提供先进的功能,以最小的功率要求紧凑的设计。专门的能量采集装置的可用性使设计者不损害需要尽可能小的设计尺寸来驱动从周围能量他们的设计。结合低功耗无线微控制器,高度集成的能量收集器IC使工程师能够挤进完整的无线传感器设计成能够提供先进的功能,同时从环境,能源借鉴电力微小的系统。