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依靠物联网节点实现电源管理设备的超低功耗性能

2019-03-12

 “物联网”(IoT)的精确定义各不相同。有些人认为它是现有机器对机器(M2M)市场的合理扩展,可通过互联网实现远程控制和监控。有些人认为该术语包含M2M及更多内容,涵盖了更广泛的网络对象概念,无论是通过互联网还是封闭网络进行通信。然而,随着定义的发展,预计物联网概念将扩大数百万甚至数十亿嵌入式设备和传感器的连接。awz电子头条

 
物联网预计将刺激远程监控市场的增长,如环境监测,智能城市的交通监控,从工厂到农场的结构传感和工业监测。越来越先进的技术使我们能够轻松便宜地安装新的或增强现有的无线传感器节点,增加了传感器,RF设备和一些智能。
 
物联网的许多终端节点将是以前未连接的对象,现在能够在常规(可能不经常)的基础上提供少量数据。通过互联网改进对这种更频繁,多样化和众多的传感器数据的访问,将提供对系统和网络状态的更好洞察,改善决策,从而改善我们的生活和节约资源。
 
超低功耗操作在许多这些远程监控类型的传感器节点中至关重要,特别是随着更多智能和网络功能的增加。这些节点需要免维护,并且可以长时间连续,准确,可靠地运行。许多人将不得不依赖能量收集和/或长寿命电池来供电。它们还需要能够在数据传输之间切换到超低功耗或休眠状态。
 
极低功耗但更智能的微控制器正在不断发展,以便与网络无线电通信设备一起满足这些要求。电源管理电路是第三个必不可少的元素。请参见下面的图1.
 
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图1:IoT无线传感器节点依赖于收集的能量,通常需要微控制器,电源转换,电源管理和通信设备,所有这些都在极低的条件下运行功率水平(由德州仪器公司提供)。
 
本文将回顾为物联网节点设计的最先进的智能,超低功耗设备,为了便于说明,参考最新的互补范围。德州仪器。其中包括MSP430F52xx系列微控制器,TPS62740降压转换器,bq25504/5升压充电器和CC2541蓝牙收发器。
 
超低功耗
 
许多微控制器制造商在他们的产品组合中都有超低功耗器件,具有极低功耗的休眠状态,能够以非常小的能量运行,以纳安为单位。 ARM内核出现在许多供应商的设备中,包括飞思卡尔半导体,意法半导体和德州仪器。其他极低功耗器件供应商包括Atmel,赛普拉斯半导体,Microchip技术,Silicon Labs和瑞萨。
 
同样,超低功耗无线电设计随时可用,能够通过网络传输传感器数据,以及根据应用,它可以从纽扣电池,超级电容器或可充电电池充电十年或更长时间。此类设备的制造商包括:Analog Devices,Atmel,Nordic,STMicroelectronics和Texas Instruments。
 
管理这些微量能源以确保传感器节点随时间的可靠,免维护运行需要能够获取和增强的复杂设备或将微瓦的功率转换为毫瓦。设备本身必须是低功率的。该市场的主要参与者包括ADI公司,Maxim Integrated Products公司,凌力尔特公司,意法半导体公司和德州仪器公司。
 
微控制器
 
让我们采用德州仪器MSP430系列超低功耗16位微控制器,其中包括变体具有选定的功能和外围设备。该器件架构旨在优化便携式应用中的电池寿命,无论是远程无线传感器节点还是智能手机。
 
MSP430F5249具有四个16位定时器,一个高性能10位ADC,两个通用串行通信接口,硬件乘法器,DMA,比较器和具有报警功能的实时时钟模块。所有时钟有效的功耗在8 MHz,3 V(闪存)或150μA/MHz(ram)时为2990μA/MHz。待机模式为1.4μA或1.9μA,唤醒时间为3.5μs。关闭模式,在3 V时具有完整的RAM保持为1.1μA,在3 V时的关断模式仅为0.18μA。
 
MSP430F5239变体提供相同的功能,无需ADC。这些器件集成了128 KB闪存,非常适合需要更大存储器的工业应用,如模拟和数字传感器系统,非常适合远程或危险区域的无线传感器节点。
 
互联网连接
 
TI提供一系列无线网络处理器模块,专门用于实现互联网连接,同时为MCU提供最小的软件和内存开销。 CC3000模块是一个完整的平台解决方案,可减少组件数量并简化认证。它附带软件驱动程序,示例应用程序和完整文档,并支持IEEE 802.11b/g。有关使用CC3000和MSP430微控制器设计基本Wi-Fi应用程序的分步指南,德州仪器(TI)网站。 1 设计人员可以使用德州仪器维基站点上的MSP-EXP430G2 Launchpad开发板包找到CC3300基本Wi-Fi示例应用程序。 
 
该开发套件提供两个16 MHz MSP430微控制器,用于编程和调试的板载仿真,用于无线连接的附加模块的按钮,LED和插座等。最近发布的LaunchPad评估套件用户指南 3 也可用。
 
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图2:德州仪器的MSP430G2 Launchpad评估板使用CC3000无线网络处理器电源管理
 
“超低功耗”的定义随着技术的发展而演变,并且由于存在许多低功耗状态,因此比较器件可能会非常棘手。衡量电源低功率效率的一个有用指标是其静态电流(IQ)。请参阅这篇内容丰富的白皮书,IQ:它是什么,它不是什么,以及如何使用它。 
 
为了将收获的能量转换为可用功率,无线传感器节点需要功率管理设备,如降压或降压转换器。 TI推出了TPS62740,旨在为微控制器(如MSP430)和通信设备(如CC3000(Wi-Fi)和CC2541(蓝牙))供电。该降压转换器的目标是300 mA输出电流设计,在有效工作期间仅提供360 nA的静态电流,在待机模式下提供70 nA的静态电流。效率优于90%,低至10μA。这款微型设备采用可充电锂离子电池供电。输出电压可通过四个VSEL引脚选择,范围为1.8至3.3 V,步长为100 mV。
 
为帮助设计人员评估该器件并测试其操作和功能,TPS62740EVM-186评估板随用户提供指南。该指南介绍了如何设置效率测量,避免常见错误。
 
对于较低电流设计,TPS6273针对50 mA输出电流电路,在有效工作期间提供370 nA静态电流,在睡眠模式下提供15 nA静态电流,在低于15μA的输出电流下仍能实现90%的效率。
 
Boost充电器
 
一种用于从低压输出采集器(如热电发电机或压电设备)提取电力的常用设备,是一种增压充电器集成DC/DC降压转换器。 TI的产品系列包括三款专门针对纳米功率应用的产品,如无电池无线传感器节点。升压转换器还支持各种储能元件,如可充电电池,超级电容器或传统电容器bq25504可以在VIN低至330 mV的情况下启动,然后可以继续将能量降至80 mV。静态电流为330 nA。该器件实现了可编程最大功率点跟踪(MPPT)采样网络,以优化功率到器件的传输。或者,MCU可以提供外部参考电压以产生更复杂的MPPT算法。
 
评估板bq25504EVM-674,演示了具有电池管理功能的超低功耗升压转换器 - 采用应用,与大多数MCU和3 V纽扣电池兼容。
 
bq25505升压充电器,具有325 nA的有源静态电流,增加了一个自主电源多路复用器栅极驱动器,可确保在系统需要时提供恒定功率即使没有来自收割机的能量,也要进行操作。可以多路复用两个存储元件,以便为系统负载提供单个轨道。该器件非常适用于可在某些时间利用清除能量的应用,从而延长电池的使用寿命。最后,bq25570增加了降压输出调节,以确保系统提供外部可编程稳压电源。有源静态电流为488 nA,效率优于90%,低至10μA。此外,还有独立的使能信号,允许应用程序控制何时运行稳压输出,或将器件置于超低静态电流睡眠状态,降至5 nA。
 
结论
 
大部分内容物联网运动的大规模增长预测将来自各种远程监控应用中智能无线传感器节点的激增。这些节点可能完全或部分依赖能量收集来为超低功率设备提供燃料,这些设备提供所需的智能(MCU),通信(RF网络处理器)和电源管理(增强器和转换器)。

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