超低功耗MCU可实现能量收集设计的数据采集和调节功能

只看该作者 · 2020-2-21 15:47

超低功耗MCU可实现能量收集设计的数据采集和调节功能

微控制器系列提供广泛的片上外设，具有纳安级睡眠和微安有源功率模式。能量收集有望延长应用的使用寿命，具有高可靠性但电池寿命有限。作为任何能量收集设计的核心，超低功耗MCU可在严格的功率预算范围内提供关键数据采集和调节功能。各种MCU将低功耗操作与片上外设相结合，工程师需要满足应用和系统功耗要求。

能量收集利用连续或接近连续的环境来源产生微量能量。该过程将环境能源转换为有用的能量。这种方法特别适用于功率器件难以安装和维护的应用，其中线缆太昂贵或笨重，并且端点太多或者传统上散布得太多。例如，能量收集继续吸引越来越多的注意力，例如轮胎压力监测，智能建筑，智能仪表和无线传感器网络中无处不在的节点。在某些情况下，无电池（或零功率）操作可带来显着的成本效益。对于公用事业仪表，更换电池可能花费数百美元。在其他情况下，零功耗操作可以启用新类别的应用程序。例如，在结构健康监测中，电池供电的传感器对于埋藏的传感器或由于成本或危险而难以接近的传感器是不切实际的。

典型的能量收集设计包括能源（如太阳能电池），储能（如电池），无线通信子系统和专用组件（如温度传感器）和超低功耗MCU（见图1）。

图1：无线通信子系统图。

在这些设计中，能源范围从WiFi无线电信号的1 nW/cm2收集功率到室外光线的高达100 mW/cm2。在这些水平上，很少有应用可以直接从合理尺寸的收集能量收集器操作，例如天线或太阳能电池或阵列。因此，设计有效的基于MCU的能量收集应用需要仔细分析功率要求，并严格遵守相应的功率预算。

事实上，能量收集的有效应用具有一系列共同特征：低数据速率和低占空比。例如，在ZigBee无线传感器网络的一个案例研究中，工程师看到节点大约99％的时间处于睡眠状态 - 在一个典型的一分钟周期内仅活动864毫秒。虽然理想化的应用可能会出现一个简单的，经常重复的电流尖峰（图2），但工程师可能会遇到更复杂的电流曲线，例如与不可靠或基于竞争的应用中的数据调节和通信相关的曲线（图2b）。

（a）

（b）图2：简单，定期重复的电流尖峰。尽管在更简单的应用中睡眠状态持续时间明显占主导地位，但MCU在达到和维持活动状态时的功耗在很大程度上决定了这些应用中的功率预算。也就是说，实现有效电流和占空比的减小通常在降低总功率要求方面比实现低睡眠电流状态更有效。事实上，工程师将发现运行待机电流水平远低于1μA，采用先进的超低功耗MCU，如Microchip的PIC24F16KA102 MCU和德州仪器（TI）的MSP430 MCU系列。超低功耗MCU通常提供多级待机操作 - 从微安范围内的有限待机水平到纳安级范围内的深度睡眠水平。

在工作模式下，这些器件的有效电流水平远低于300μA/MHz。例如：

Microchip的PIC24F16KA102 16位MCU在工作运行模式下提供182μA/MHz，睡眠电流为20 nA。

德州仪器（TI）的MSP430 MCU系列提供160μA/MHz的有源状态，待机电流《1μA。

这些数字说明了这些MCU可用的低功率电平。然而，具体数字可能会产生误导，因为有功功率取决于特定应用设计的特定工作频率。

虽然有源电流要求在超低功耗设计中至关重要，但MCU唤醒时的方式和效率也会影响所需的功率预算。在从睡眠状态到活动状态的延长过渡期间所需的增加的功率是浪费的功率 - 对于试图从环境中收获几毫瓦的应用而言是严重的并发症（参见图3）。

图3：从睡眠状态到活动状态的延长转换期间所需的功率增加是浪费功率。

根据应用的不同，不同的睡眠 - 唤醒方案可能会有所不同创造显着不同的工作周期。此外，虽然提供此类MCU的半导体制造商通常会引用1到2μs的唤醒时间，但实际唤醒时间取决于工作频率。这需要在与更高频率操作相关联的增加的总功率和与更快的唤醒时间相关的更有效的操作之间进行平衡。因此，设计基于能量收集的应用的工程师需要考虑唤醒曲线及其对总功率的贡献。