無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 設(shè)備設(shè)計(jì)人員一直在尋找更好的方法來(lái)為這些設(shè)備供電，以減少消費(fèi)、商業(yè)或工業(yè)應(yīng)用中的停機(jī)時(shí)間。使用一次性電池時(shí)需要連續(xù)進(jìn)行電量監(jiān)測(cè)并定期進(jìn)行更換，更換后的廢舊電池還會(huì)面臨一個(gè)重要的處理問(wèn)題。充電電池解決了處理問(wèn)題，但需要拆下來(lái)充電，然后再安裝上去。

　　由于傳統(tǒng)方法的局限性，人們對(duì)利用環(huán)境能量為設(shè)備供電的能量收集技術(shù)的興趣越來(lái)越大。但收集能量和電池充電所需的電路會(huì)大大增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、尺寸和成本，這是設(shè)計(jì)人員不可回避的問(wèn)題。

　　本文簡(jiǎn)要介紹了在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中使用能量收集的情形，并概述了設(shè)計(jì)人員面臨的一些挑戰(zhàn)。然后，介紹了一種通過(guò)在微控制器 （MCU） 上集成能量收集和電池充電管理電路來(lái)克服這些挑戰(zhàn)的方法。文中將通過(guò) Renesas 的實(shí)例器件解決方案和相關(guān)評(píng)估板，展示如何使用該方法有效消除物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對(duì)電池更換的需要。

　　為什么要將能量收集用于物聯(lián)網(wǎng)？

　　對(duì)于像低功耗無(wú)線(xiàn)傳感器系統(tǒng)這樣的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，能量收集是一個(gè)很有吸引力的解決方案，因它可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備全無(wú)線(xiàn)部署，幾乎不需要維護(hù)。通常情況下，這些設(shè)備仍然需要一個(gè)可充電電池或超級(jí)電容器來(lái)滿(mǎn)足峰值功率需求。

　　原則上，通過(guò)收集環(huán)境能量，系統(tǒng)可以采用較小的儲(chǔ)能裝置并延長(zhǎng)其使用壽命。反過(guò)來(lái)，只要能量收集功能對(duì)設(shè)計(jì)的零件數(shù)增加不多，由此構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)就有可能打包到一個(gè)較小的封裝中。然而，在實(shí)踐中需要額外的組件來(lái)實(shí)現(xiàn)能量收集，這使得減少設(shè)計(jì)封裝的嘗試受挫。

　　其中問(wèn)題是，能量收集電源通常需要單獨(dú)的設(shè)備來(lái)收集環(huán)境能量，并要確保像可充電電池或超級(jí)電容器這樣的儲(chǔ)能設(shè)備能夠正確充電。在由 MCU、傳感器和射頻 （RF） 收發(fā)器組成的已經(jīng)很簡(jiǎn)約的無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加入這種額外的功能，可能會(huì)將一個(gè)簡(jiǎn)單的、部件少的設(shè)計(jì)變成一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的設(shè)計(jì)（圖 1）。

圖 1：在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中使用能量收集可以讓用戶(hù)擺脫電池維護(hù)的困擾，但增加的要求通常會(huì)導(dǎo)致設(shè)備越來(lái)越大，設(shè)計(jì)復(fù)雜度和成本越來(lái)越高；所有這些都與無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的要求相悖。（圖片來(lái)源：Renesas）

　　最大程度減少物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的組件數(shù)

　　到目前為止，能量收集所需的許多不同的組件均已被集成到專(zhuān)用模塊和電源管理集成電路 （PMIC） 中，如 Analog Devices 的 LTC3105/LTC3107、Cypress Semiconductor 的 S6AE101A、Matrix Industries 的 MCRY12-125Q-42DIT 等。這樣的裝置可從太陽(yáng)能電池、熱電發(fā)電機(jī) （TEG）、壓電振動(dòng)傳感器或其它能量源提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓軌。因此，它們可以作為一個(gè)完整能量收集電源用于基本的物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)計(jì)。不過(guò)，設(shè)計(jì)人員還是需要突破極限，才能滿(mǎn)足應(yīng)用需求并保持或獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

　　Renesas RE01 MCU 系列有助于實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，因?yàn)樗ㄟ^(guò)在器件中加入能量收集控制器 （EHC） 進(jìn)一步提升了集成度。事實(shí)上，RE01 MCU 可以使用其內(nèi)置的 EHC 為二次電池充電，同時(shí)為器件的其他部分提供系統(tǒng)電源。RE01 不僅僅是一個(gè)能量收集器件，其 EHC 還包括一個(gè) 64 兆赫 （MHz） Arm? Cortex?-M0+ 內(nèi)核、片上閃存、可信安全知識(shí)產(chǎn)權(quán) （TSIP） 塊、14 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）、定時(shí)器和多個(gè)外設(shè)接口（圖 2）。

圖 2：為簡(jiǎn)化電池供電型設(shè)備設(shè)計(jì)而打造的 Renesas RE01 微控制器系列將一個(gè)完整的能量收集控制器與低功耗 Arm Cortex-M0+ 處理器內(nèi)核、片上閃存以及多個(gè)外設(shè)和接口結(jié)合在一起。（圖片來(lái)源：Renesas）

　　RE01 集成了全套相關(guān)外設(shè)功能，旨在簡(jiǎn)化電池供電型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的實(shí)現(xiàn)。除了其用于傳感器集成的 ADC 和串行接口外，該器件還包括一個(gè)能夠驅(qū)動(dòng)多達(dá)三個(gè)電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路（圖 2 中的 “MTDV” 塊）；一個(gè)能夠驅(qū)動(dòng)三個(gè)外部發(fā)光二極管 （LED） 的恒流源；以及一個(gè)低速脈沖發(fā)生器 （LPG）。在顯示輸出方面，RE01 MCU 集成了一個(gè)用于二維 （2D） 圖像處理的圖形加速器，以及一個(gè)像素存儲(chǔ)器 （MIP） 液晶顯示器（LCD） 控制器。為了滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制的要求，MCU 還包括看門(mén)狗定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘 （RTC） 和保持時(shí)鐘精度的時(shí)鐘校正電路 （CCC）。針對(duì)軟件代碼和數(shù)據(jù)，RE01 系列推出了成員器件 R7F0E015D2CFP （RE01 1500KB） 和 R7F0E01182CFM （RE01 256KB），除結(jié)合了上述功能外，還包括了一定數(shù)量的存儲(chǔ)空間，前者帶 1500 千字節(jié)的閃存，后者帶 256 千字節(jié)的閃存。

　　RE01 MCU 不但功能強(qiáng)大，而且還提供了大量選擇，以便在性能和功耗之間找到所需的平衡。該 MCU 可以在多種工作模式下運(yùn)行，通過(guò)將工作頻率從最高 64 MHz 速率降低到 32.768 千赫茲 （kHz） 的低漏電流模式，從而最大限度地降低了功耗，同時(shí)正常工作模式下中間頻率為 32 MHz 或 2 MHz。在典型工作狀態(tài)下，R7F0E015D2CFP RE01 1500KB 通常僅消耗 35 微安/兆赫 （μA/MHz） 有功電流，在 1.62 伏的待機(jī)模式下僅消耗 500 納安 （nA） 電流。其 14 位 ADC 的耗電量?jī)H為 4 微安，閃存編程重寫(xiě)僅需約 0.6毫安 （mA）。為了給這些正常操作提供電源，RE01 MCU 的 EHC 集成了一套廣泛的功能，旨在簡(jiǎn)化能量收集和電池管理的實(shí)現(xiàn)。

　　集成式能量收集控制器簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)

　　得益于其集成的 EHC，RE01 MCU 讓能量收集的實(shí)現(xiàn)成為一個(gè)相當(dāng)常規(guī)的操作。開(kāi)發(fā)人員只需將太陽(yáng)能電池、TEG 或振動(dòng)傳感器等發(fā)電元件直接連接到 MCU 的 VSC_VCC 和 VSC_GND 引腳。當(dāng)環(huán)境能量充足時(shí)，EHC 就可以驅(qū)動(dòng) MCU 輸出引腳為二次電池 （VBAT_EHC）、儲(chǔ)能電容器 （VCC_SU） 或其他外部設(shè)備充電（圖 3）。

圖 3：Renesas RE01 MCU 的集成能量收集控制器讓開(kāi)發(fā)人員可以快速利用能量收集的優(yōu)勢(shì)。（圖片來(lái)源：Renesas）

　　設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)潔性源于 RE01 微控制器內(nèi)包含的全套功能塊，如圖 4 所示。

圖 4：Renesas RE01 MCU 的集成能量收集控制器包括利用發(fā)電元件產(chǎn)生所需電壓輸出所需的所有功能。（圖片來(lái)源：Renesas）

　　除了其功能模塊外，EHC 還提供了多個(gè)電壓監(jiān)測(cè)電路以及多個(gè)狀態(tài)和控制寄存器，以協(xié)調(diào)電力傳輸。例如，發(fā)電元件狀態(tài)標(biāo)志 （ENOUT） 表示該元件是否在產(chǎn)生電流。相反，充電目標(biāo)監(jiān)測(cè)標(biāo)志 （CMPOUT） 表示充電電壓是施加在二次電池上還是施加在儲(chǔ)能電容器上。在 EHC 處理與啟動(dòng)、正常操作和電池耗盡相關(guān)的操作狀態(tài)時(shí)，這些功能中的每一個(gè)都發(fā)揮著作用（圖 5）。

圖 5：利用內(nèi)部電壓監(jiān)控器、狀態(tài)標(biāo)志和寄存器，Renesas RE01 MCU 的集成能量收集控制器支持從初始充電到耗盡的整個(gè)充電序列。（圖片來(lái)源：Renesas）

　　當(dāng)發(fā)電元件與該 MCU 連接后，EHC 就進(jìn)入初始充電期。在這里，EHC 讓電源流向 VCC_SU，為儲(chǔ)能電容器充電，直到 VCC_SU 上的電壓水平超過(guò)特定的閾值電壓水平 VCC_SU_H。此時(shí)，EHC 就會(huì)使用儲(chǔ)能電容器開(kāi)始向系統(tǒng)域 VCC 供電。當(dāng) VCC 超過(guò)開(kāi)機(jī)閾值電壓 （VPOR） 時(shí)，上電復(fù)位信號(hào)變?yōu)楦唠娖剑瑥亩蛊骷膹?fù)位中釋放出來(lái)，同時(shí)使 ENOUT 置為高電平，表明發(fā)電元件處于活動(dòng)狀態(tài)。

　　上電復(fù)位釋放后，EHC 的 VBAT_EHC 充電控制寄存器 VBATCTL 被置為 11b，允許器件開(kāi)始對(duì)二次電池充電。事實(shí)上，在此期間，EHC 在二次電池和儲(chǔ)能電容器之間交替充電輸出，以維持電池充電時(shí)的 VCC 供電。當(dāng)儲(chǔ)能電容器電壓低于下閾值電壓水平 VCC_SU_L 時(shí)，EHC 將電源切換到 VCC_SU，直到其達(dá)到上閾值 VCC_SU_H 水平，此時(shí)恢復(fù)對(duì)二次電池的充電。這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)到 VBAT_EHC 上的蓄電池電壓達(dá)到 VBAT 閾值，即 VBAT_CHG（圖 6）。

圖 6：即使在 Renesas RE01 MCU 的集成能量收集控制器 （EHC） 開(kāi)始為器件的電池充電后，EHC 仍會(huì)繼續(xù)保持對(duì)存儲(chǔ)電容器的充電，同時(shí)儲(chǔ)能電容器則為 VCC 系統(tǒng)提供電源，直到電池完全充滿(mǎn)電。（圖片來(lái)源：Renesas）

　　電池充電后，QUICKMODE 位被置位，使 EHC 進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，EHC 繼續(xù)從發(fā)電元件對(duì)電池充電，同時(shí)從電池向 VCC 域供電。

　　如果環(huán)境能量下降，發(fā)電元件停止供電，EHC 則繼續(xù)從電池提供 VCC。最終，內(nèi)部電壓監(jiān)控器將檢測(cè)到 VBAT_EHC 已降至預(yù)設(shè)閾值 Vdet1 以下，QUICKMODE 位將被置零。一旦該位被置零，電源即會(huì)切斷 VCC 域，EHC 寄存器被初始化。VCC 進(jìn)一步降低到 VPOR 以下引起器件重置上電復(fù)位信號(hào)。為了恢復(fù)操作，器件必須相應(yīng)地在環(huán)境能量上升到足夠的水平后執(zhí)行初始充電序列。

　　評(píng)估套件有助于進(jìn)行快速原型設(shè)計(jì)

　　雖然 RE01 內(nèi)置的 EHC 不需要額外的組件，但要利用其功能，開(kāi)發(fā)人員仍然需要對(duì)器件進(jìn)行配置，并執(zhí)行上述規(guī)定的一系列操作。為了幫助開(kāi)發(fā)人員快速進(jìn)入 RE01 系列的快速原型設(shè)計(jì)和定制開(kāi)發(fā)，Renesas 分別為 RE01 1500KB 和 RE01 256KB 提供了 RTK70E015DS00000BE 和 RTK70E0118S00000BJ 即用型評(píng)估套件。事實(shí)上，RE01 1500KB 套件提供的是一個(gè)交鑰匙式開(kāi)發(fā)平臺(tái)，包括 RE01 1500KB MCU 板（圖 7）、一塊 LCD 擴(kuò)展板、一塊太陽(yáng)能電池板和一根 USB 電纜。除了 RE01 MCU，該開(kāi)發(fā)板還包括一個(gè)存儲(chǔ)超級(jí)電容器、一個(gè)接外部可充電電池的連接器、開(kāi)關(guān)、LED、板載調(diào)試器和多個(gè)接口連接器（包括一個(gè) Arduino Uno 針座）。

圖 7：Renesas RE01 1500KB 評(píng)估套件包括一塊 RE01 1500KB MCU 板，帶有板載調(diào)試器和多種接口選項(xiàng)，旨在幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行評(píng)估、原型設(shè)計(jì)和定制開(kāi)發(fā)。（圖片來(lái)源：Renesas）

　　除了評(píng)估套件中提供的硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，Renesas 還提供了全套軟件包，用于在 IAR Systems 的 Embedded Workbench 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 （IDE） 或 Renesas 自己的 e2Studio IDE 下運(yùn)行。該軟件基于 Arm 的 Cortex 微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn) （CMSIS） 驅(qū)動(dòng)程序包構(gòu)建，使用了 Arm 處理器代碼開(kāi)發(fā)人員所熟悉的軟件結(jié)構(gòu)。

　　也許最重要的是，Renesas 軟件包中的示例例程為定制軟件開(kāi)發(fā)提供了可執(zhí)行的模板。例如，圖 5 中所示的 EHC 操作序列實(shí)現(xiàn)需要附帶一系列初始化程序，以便在諸如初始充電和二次電池充電等關(guān)鍵階段最大限度地降低功耗。隨示例軟件提供的啟動(dòng)例程則演示了這些初始化和設(shè)置程序的每個(gè)步驟。更貼心的是，Renesas 還為開(kāi)發(fā)人員提供了一個(gè)清晰的路徑，讓他們?cè)谑褂眠@個(gè)啟動(dòng)例程時(shí)可以根據(jù)需要改變參數(shù)，并將自己的軟件代碼插入到啟動(dòng)序列中（圖 8）。

圖 8：在 Renesas 軟件發(fā)行版中，包含了啟動(dòng) RE01 MCU 能量收集功能的示例代碼，這些代碼可展示每一個(gè)所需的步驟，同時(shí)突出顯示了開(kāi)發(fā)人員可以修改參數(shù)或插入自己軟件代碼的地方。（圖片來(lái)源：Renesas）

　　利用 Renesas 評(píng)估套件和相關(guān)軟件包，開(kāi)發(fā)人員可以快速探索 RE01 MCU 的不同工作模式，并評(píng)估能量收集方法。隨后就可以將這個(gè)環(huán)境作為一個(gè)有效的平臺(tái)，快速構(gòu)建自己的應(yīng)用原型并進(jìn)行定制開(kāi)發(fā)。

　　結(jié)語(yǔ)

　　在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等低功耗系統(tǒng)中，能量收集為減小電池體積和延長(zhǎng)電池壽命提供了有效的解決方案，但這種方法會(huì)大大增加整體設(shè)計(jì)的尺寸、復(fù)雜性和成本。因此我們需要采取更加一體化的辦法。

　　Renesas 的 MCU 系列在一個(gè)模塊中封裝了多個(gè)功能塊和外設(shè)，包括了完整的片上能量收集子系統(tǒng)，因此可以簡(jiǎn)化能量收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。同時(shí)通過(guò)使用相關(guān)的開(kāi)發(fā)板和軟件，開(kāi)發(fā)人員可以快速進(jìn)行評(píng)估、原型制作和定制設(shè)計(jì)構(gòu)建，讓小型、低成本設(shè)備充分利用能量收集的優(yōu)勢(shì)。