對于其中的許多貨物，其中包含的產品對溫度和沖擊等環境條件很敏感，如果在運輸過程中不小心管理，這通常會成為一個問題。鮮花、果蔬、藥品等產品每天都在大量運輸，但每批貨物都需要小心處理，確保它們不會受到物理損壞，并保持在最佳的儲存和運輸條件下.如果在運輸過程中沒有以這種方式維護它們，它們可能無法以適合最終客戶使用的狀態到達最終交貨點。對于某些物品（例如藥品），它們可能會變得危險，或者至少無效。疫苗是此類物品的完美示例，因為它們必須以正確的方式處理并始終保持在正確的環境條件下，以避免潛在的嚴重醫療后果。

新一代智能產品，能夠跟蹤這些包裹并持續監控它們的處理方式和運輸過程中的當地環境條件，已經圍繞提供詳細的運輸審計跟蹤需求而發展起來。

今天，這種跟蹤產品通常由電池供電，能夠測量溫度和加速度等參數。有些甚至可以在運輸過程中跟蹤 GPS 位置，并在產品交付后存儲信息以備將來檢查。確保它們不會以任何方式被篡改或被低成本復制品取代也很重要，尤其是在更有價值的貨物的情況下。

然而，這些跟蹤器并非沒有問題，尤其是在電池技術的使用方面。由于電池可能過熱，運輸包含電池的產品變得越來越困難，尤其是通過空運。使用電池還意味著必須在每次裝運前為電池充電，以確保設備能夠在整個裝運過程中運行——從初始裝運到最終交貨。發貨的發起人有責任確保設備充電，這個過程總是容易出現人為錯誤。

在這些情況下，可以在運輸過程中從環境中提供能量的設備，可能避免設備包含電池的需要，可以提供理想的解決方案。

讓我們更詳細地看看如何解決一個典型的問題——在這種情況下，是醫藥產品在世界各地的可靠運輸問題。為了了解問題的嚴重程度，歐洲各地的醫生每年都會開出價值數百萬歐元的藥物。僅在德國，2017 年就向患者分發了價值超過 400 億歐元的藥物，由此產生的運輸成本使年度總賬單增加了數十億歐元。目前估計，這些產品在全球范圍內安全運輸的總成本在 70 至 800 億美元之間。

有了這樣的成本，我們需要確保每件產品都安全高效地交付給最終用戶，并且在運輸過程中沒有遭受任何降級或被其他產品取代。

使用能量收集為此類運輸監控應用提供動力的智能解決方案現在可以通過新一代先進的低功耗嵌入式控制器實現。這些基于瑞薩電子的新型薄埋氧化硅 (SOTB) 工藝技術。與使用傳統體硅技術的器件相比，基于 SOTB 工藝的器件的活動和待機功耗顯著降低。SOTB 允許開發極低功耗的智能設備，非常適合在運輸過程中連續監測溫度和加速度等參數。這些器件可以為本地處理和用于應用程序和數據存儲的大型片上存儲器提供高處理性能。這允許內存包含復雜的應用程序和協議棧，同時為記錄的信息提供非易失性數據存儲。這一切都可以在使用從環境中收集的能量運行時實現，無需電池。

圖 2：SOTB 特性與其他工藝幾何結構的比較

在這個新工藝上實現的第一個嵌入式控制器是新的 RE01。該器件可實現約 20 μA/MHz 的有功功耗，工作頻率高達 32 MHz，在深度待機模式下漏電流低至 150 nA。這些數字對于具有 1.5 MB 片上閃存和 256 KB 片上 SRAM 的設備來說是無與倫比的。

讓我們詳細了解一下這項新技術，以及它如何幫助我們實現適合這些 PMA 應用的設備。該技術開發的突破在于能夠創建混合硅結構，將新 SOTB 工藝的優勢與現有標準體硅技術的優勢相結合。我們可以在芯片設計中需要超低功耗的部分使用新的 SOTB 技術。但是，我們仍然可以將標準硅用于 I/O 環和模擬組件以及嵌入式閃存等功能。因此，這些設備仍然具有與當今現有微控制器相似的電氣特性。

圖 3：SOTB 柵極結構

圖 3 顯示了 SOTB 柵極結構的一些優勢。在傳統的體硅柵極設計中，我們在制造過程中將摻雜原子注入硅中，這使得柵極能夠在需要時導通。注入每個柵極的原子數量極難準確控制，因此柵極開關特性可能會發生變化，尤其是對于較小的硅幾何形狀。

SOTB 是一種無摻雜設計，其中柵極特性由柵極內極薄的隔離層控制，其本身受到極好的控制。這意味著每個柵極之間的差異遠低于傳統的體硅柵極設計。SOTB 器件上柵極之間變化的減少使我們能夠大大降低工作電壓，從而降低用于切換柵極的能量。其結果是，與采用傳統體硅工藝實現的器件相比，采用 SOTB 工藝實現的器件的有源功耗極低。

圖 3 還說明了 SOTB 技術的另一個好處。我們可以對每個柵極施加負反向偏置電壓，從而可以操縱每個柵極的開關閾值。這大大減少了每個柵極的泄漏，從而降低了待機電流。

新的 RE01 結合了運行頻率高達 64 MHz 的 Cortex M0+ 內核與高度的外設集成、高達 1.5 MB 的閃存和 256 KB 的片上 SRAM。圖 5 顯示了該設備的框圖。RE01 還實現了用于低功耗本地顯示的 MiPs LCD 接口以及其他有用的功能，例如 USB 接口和非常特殊的超低功耗模數轉換器 (ADC)。每個設備還包括一個能量收集控制器 (EHC)，以幫助管理各種收集的電源。

圖 4：第一個使用 SOTB 工藝的微控制器

ADC 具有全新的設計，專門開發用于以最少的能量運行，同時仍支持對各種模擬參數的連續感測。

圖 5 – 低功耗 ADC 設計

圖 5 顯示了 ADC 的簡化輸入圖。 ADC 旨在支持高達 14 位的分辨率，從而能夠對許多不同的物理參數進行精確測量。這種新型 ADC 設計的主要優勢在于，它在 32 kHz 下運行時僅消耗 3 μA，采樣率為 1.6k 樣本/秒。這種采樣率雖然很慢，但足以測量跟蹤應用中所需的大多數參數，例如溫度和壓力，因為它們通常變化非常緩慢。

ADC 還設計為自主運行，無需 CPU 干預，再次最大限度地降低使用時的功耗。這些功能包括用于自動采樣多個通道的多種掃描模式、用于提高測量精度的自動平均電路以及比較器功能。當測量值高于、低于或超出預編程范圍時，后者會產生中斷。

ADC 模塊還集成了一個片上溫度傳感器，可以自動監控以檢查出貨溫度是否超過預定限制。完整的 ADC 子系統是許多跟蹤應用的理想解決方案，提供監控和記錄影響運輸的環境條件所需的所有功能，并最大限度地降低此任務所需的功耗。

RE01 還實現了獨特的能量收集控制器 (EHC)，允許從各種不同的可再生能源收集能量，同時允許設備自動控制外部可充電電池或超級電容器。EHC 還可以為無線電和傳感器等外部設備供電，以便它們也可以利用收集的能量運行。這有助于開發用于跟蹤應用的完整無電池解決方案，這些應用可以完全由各種能量收集解決方案供電，包括在振動和光下運行的收集器。

能量收集應用中任何嵌入式設備的最大問題之一是“浪涌”電流。這是設備最初開啟時所需的電流，通常非常大。這里的風險是它淹沒了大多數典型的能量收集電源并導致設備運行不正確。在 SOTB 設備上實施的 EHC 專為避免此問題而設計。它的開發目的是管理來自收集電源的少量可用能量，從而使微控制器能夠從提供低至 5 μA 電流的低能耗電源安全可靠地啟動。這意味著，幾乎第一次，真正的跟蹤應用是可以實現的，并且可以使用從環境中收集的能量來測量和記錄來自周圍環境的連續數據。

圖 6：能量收集控制器

借助正確的功率尺寸電路，能量收集控制器使這些設備能夠使用各種電源運行，包括太陽能電池、振動收集器、熱收集器等等。在瑞薩電子的網站上可以找到許多此類示例，以及一些顯示正在使用的收割機的典型示例的視頻。

基于薄埋氧化硅技術的嵌入式控制器的開發將使新一代跟蹤應用程序無需電池即可運行。在醫療保健應用中，這些將提高產品質量和條件，同時為醫療保健行業節省大量成本。

有關瑞薩 RE01 系列的更多信息，請訪問瑞薩網站，其中包括使用這些設備的應用筆記和視頻示例。RE01 現已開始量產。

關于作者
Graeme Clark 曾在 Renesas Electronics Europe 和之前的 Hitachi Electronics 工作 20 多年，從事低功耗微控制器方面的各種工作。他現在負責將基于 SOTB 的新型嵌入式控制器引入歐洲市場。

審核編輯 黃昊宇