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)。
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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)。
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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)。
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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。
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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)。
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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)。
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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)。
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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)。
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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)。
評(píng)論