【導讀】許多無法連接市電的嵌入式系統(tǒng)通常會采用電池供電，但當電池電量用完時，更換電池的維護成本相對較高，并造成相當多的困擾，若能通過能量收集技術來為系統(tǒng)永續(xù)供電，便可解決這個問題。本文將為您介紹如何利用能量收集技術來建立永久運行的嵌入式系統(tǒng)，以及由Silicon Labs（芯科科技）推出的相關解決方案。
許多無法連接市電的嵌入式系統(tǒng)通常會采用電池供電，但當電池電量用完時，更換電池的維護成本相對較高，并造成相當多的困擾，若能通過能量收集技術來為系統(tǒng)永續(xù)供電，便可解決這個問題。本文將為您介紹如何利用能量收集技術來建立永久運行的嵌入式系統(tǒng)，以及由Silicon Labs（芯科科技）推出的相關解決方案。
追求實現(xiàn)永久運行的能量收集系統(tǒng)
能量收集技術正在迅速成為嵌入式系統(tǒng)設計人員的可行電源選擇，使無線傳感器能夠用于以前傳統(tǒng)電池供電設計無法實現(xiàn)的應用。例如，能量收集電源使系統(tǒng)設計人員能夠輕松構建范圍超過100米、使用壽命超過20年的超薄無線傳感器。
能量收集系統(tǒng)的最終目標是實現(xiàn)永久運行，能量收集系統(tǒng)可以通過確保收集到的能量，能夠滿足或超過系統(tǒng)在運行期間消耗的能量來實現(xiàn)永久運行。能源管理是設計能量收集系統(tǒng)的一個關鍵方面，第一步是確定采集器的可用功率輸出，能量采集器可將太陽能、機械能或熱能轉化為電能。太陽能采集器具有最高的功率密度，能夠采集15 mW/cm2的表面積，最大化能量收集器的輸出功率，對于構建強大的能量收集系統(tǒng)至關重要。
在設計能量收集系統(tǒng)時最重要的是提供足夠的功能和最小化嵌入式系統(tǒng)的功耗，通過選擇具有低泄漏規(guī)格的元器件，并使用超低功耗微控制器（MCU）（例如Silicon Labs的Si10xx無線MCU），可以實現(xiàn)低功耗。大多數(shù)用于在電池供電系統(tǒng)中實現(xiàn)低功耗操作的技術，都可用于最大限度地減少能量收集系統(tǒng)中的功耗。
讓我們看一個太陽能無線傳感器節(jié)點的示例，該節(jié)點每20分鐘以10 μA的平均電流傳輸數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)配備了太陽能電池板，可在白天提供50 μA的連續(xù)電流。白天可用于給電池充電的凈電流為40 μA，夜間電池以10 μA的速率放電。只要系統(tǒng)每天暴露在至少4.8小時的日光下，能量收集系統(tǒng)就能實現(xiàn)永久運行。
薄膜電池平衡收獲和消耗的平均功率
能夠實現(xiàn)永久運行的能量收集系統(tǒng)有兩類，每一類的能量存儲機制各不相同。第一種類型需要長時間收集和積累能量，并使用泄漏極低、高容量的能量容器，例如薄膜電池。通過平衡收獲的平均能量和消耗的平均功率來實現(xiàn)永久運行。此類能量收集系統(tǒng)最為靈活，通常會在短時間內爆發(fā)高功耗。這些系統(tǒng)大部分時間都處于低功耗睡眠模式，始終通電并隨時收集能量。此類系統(tǒng)的一個示例是太陽能無線傳感器節(jié)點。
第二種類型的能量收集系統(tǒng)保持在未通電狀態(tài)，直到檢測到能量脈沖、收集能量，并將其存儲在低阻抗能量容器（例如電容器）中。短暫上電復位后，系統(tǒng)使用從能量脈沖收集的有限能量執(zhí)行必要的系統(tǒng)功能。通過平衡執(zhí)行任務時消耗的總能量和單個脈沖中收獲的能量來實現(xiàn)永久運行。此類系統(tǒng)的一個例子是無線燈具開關，它使用機械開關產(chǎn)生的能量，將射頻信號傳輸?shù)轿挥跓艟咛幍慕邮掌鳌?br style="padding: 0px; margin: 0px auto; font-family: Arial, 微軟雅黑; font-size: 15px; text-wrap-mode: wrap; background-color: rgb(247, 247, 247);"/>
鈕扣電池、AA鋰電池和鋰亞硫酰氯電池等傳統(tǒng)電池已在需要長壽命的嵌入式系統(tǒng)中使用多年，薄膜電池的引入為系統(tǒng)設計人員在成本、尺寸和安全性之間進行權衡創(chuàng)造了一種新的選擇。由于開發(fā)人員不斷面臨降低系統(tǒng)成本的壓力，經(jīng)濟型鈕扣電池似乎是降低制造成本，以及將產(chǎn)品快速推向市場的最佳解決方案。然而，更換鈕扣電池時會產(chǎn)生隱性成本。
如果您認為薄膜電池的總壽命儲能容量超過30個CR2032鈕扣電池，您很快就會得出結論，與更換30個鈕扣電池的成本相比，薄膜電池的初始成本微乎其微，并超過嵌入式系統(tǒng)生命周期的數(shù)倍。
在考慮電池尺寸時，薄膜電池的外形是所有電池類型中最薄的（小至0.17 mm）。薄膜電池的總壽命容量相當于四節(jié)鋰“AA”電池或一節(jié)“C”型鋰亞硫酰氯電池，薄膜電池非常適合需要超薄外形和長電池壽命的空間有限的嵌入式系統(tǒng)。
此外，薄膜電池不會帶來與大型傳統(tǒng)電池相關的安全問題，例如易燃和爆炸危險。由于薄膜電池是可充電的，因此在任何給定時間僅存儲其總壽命容量的一部分，如果電池意外短路或暴露在極熱或明火中，這將使電池更加安全。薄膜電池產(chǎn)生的廢物也比大型傳統(tǒng)電池少得多，傳統(tǒng)電池通常最終被扔進垃圾填埋場而不是被回收。
能量收集參考設計加速產(chǎn)品開發(fā)設計
電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設備的功耗一直是影響著物聯(lián)網(wǎng)設備運行的關鍵問題，各種無線標準背后的組織，致力于幫助滿足消費者對該領域的設備降低功耗的期望，Zigbee Green Power便是在設計無線通信時，考慮到能量收集的一個很好的例子。
Silicon Labs和艾睿電子共同開發(fā)了一種基于Silicon Labs EFR32MG22片上系統(tǒng)（SoC）的能量收集參考設計，該設計將Zigbee Green Power燈具開關與能量收集電源管理配對。MG22設計用于Zigbee協(xié)議，尺寸緊湊，并擁有先進的安全功能，使其成為超低功耗終端設備的理想選擇。Silicon Labs亦提供節(jié)能型電源管理IC，例如EFP0111，來提供更佳的電源管理能力。Silicon Labs還可提供MCU、無線入門套件，以及提供了強大的開發(fā)和調試環(huán)境的Simplicity Studio，將可協(xié)助客戶快速開發(fā)能量收集系統(tǒng)。
該設計的核心組件是能量收集發(fā)電機，此參考設計采用了ZF的單穩(wěn)態(tài)發(fā)電機模塊。這是一個雙向開關發(fā)電機，這意味著按下和釋放開關時都會產(chǎn)生能量，該開關具有兩個磁極的磁鐵，向下推動開關會產(chǎn)生一個穿過磁芯并返回到另一極的磁場。然后，當用戶釋放開關時，磁場發(fā)生變化并沿相反方向穿過核心，這種變化的磁場會產(chǎn)生電流，這就是我們可以收獲的能量。當按下或釋放ZF發(fā)電機時，該發(fā)電機會產(chǎn)生交流電壓，系統(tǒng)可以利用這種機械能產(chǎn)生的能量打開燈具，其最終目標是在開關和燈具之間在不布線的情況下可以開起與關閉燈具。
為物聯(lián)網(wǎng)設備供電是一項能源密集型工作，創(chuàng)新無需電池的設備供電新方法將簡化開發(fā)并有助于創(chuàng)造更清潔的環(huán)境。例如，利用使LED閃爍一次所需的能量就足以傳輸多個RF信號。低功耗硅芯片設計與針對低功耗應用而優(yōu)化的網(wǎng)絡相結合，將為電源管理的新時代奠定基礎，并為制造商和消費者降低巨大的成本和浪費。
高性能、低功耗的功率管理解決方案
Silicon Labs推出的EFR32MG22（MG22）系列SoC是經(jīng)過優(yōu)化的Zigbee解決方案，可為智能家居傳感器、照明控制以及樓宇和工業(yè)自動化等物聯(lián)網(wǎng)應用帶來業(yè)界領先的能效。
EFR32MG22和EFR32MG22E Zigbee SoC解決方案是Wireless Gecko Series 2平臺的一部分。MG22系列提供優(yōu)化的Zigbee SoC解決方案，該解決方案融合了帶TrustZone的高性能、低功耗76.8 MHz ARM? Cortex? -M33內核。MG22讓您能夠創(chuàng)建節(jié)能應用，而MG22E（“E”表示節(jié)能）通過延長電池壽命和支持完全無需電池的設計，進一步增強了節(jié)能優(yōu)勢。MG22 SoC將超低傳輸和接收功率（+6 dBm下8.2 mA TX，3.9 mA RX）、1.4 μA深度睡眠模式功率和低功耗外圍器件組合在一起，為使用Zigbee協(xié)議的應用（包括Green Power），提供業(yè)界領先的節(jié)能解決方案。
Silicon Labs的EFP0111GM20節(jié)能型電源管理IC（PMIC）則是一款靈活、高效、多輸出電源管理IC，可為EFR32和EFM32器件提供完整的系統(tǒng)電源、三個輸出電壓導軌和主電池電荷計量功能。EFP0111升壓引導程序PMIC可在1.7至5.2的電壓范圍內運行，靜態(tài)電流低至150 nA。EFP0111GM20支持從1.5至5.5伏的多種電池，可在提高EFR32和EFM32功耗效率的同時，為多種不同的電池技術提供靈活性。
Silicon Labs的Si10xx Sub-GHz無線MCU則是將高性能的無線連接技術與超低功耗微控制器處理相結合，實現(xiàn)5 x 6 mm的小封裝。器件支持的頻段范圍為142至1050 MHz，包括集成的高級數(shù)據(jù)包處理引擎與鏈路預算高達146 dB的能力。通過減小TX、RX、活動和睡眠模式電流，以及支持快速喚醒時間來優(yōu)化設備，降低電池支持應用的能耗。Si106x MCU與Si108x器件引腳兼容，閃存容量可在8至64 kB間調整，并提供穩(wěn)健的模擬和數(shù)字外圍器件，包括ADC、雙比較器、定時器和GPIO。所有器件設計均符合802.15.4g智能計量標準，且支持全球監(jiān)管標準，包括FCC、ETSI和ARIB規(guī)范。
結語
能量收集技術已經(jīng)變得相當流行，并且由于它為嵌入式系統(tǒng)設計提供了許多好處，預計在未來幾年將變得更加普遍。正確設計的能量收集系統(tǒng)一旦克服了最初的加電重置，就能夠永久運行。通過精心的系統(tǒng)設計，能量收集系統(tǒng)的使用壽命可延長至20年以上。薄膜電池因其超薄外形和低泄漏特性而常用于能量收集系統(tǒng)，無需主電源或傳統(tǒng)的可更換電池，設計可自主維持嵌入式系統(tǒng)的靈活性，創(chuàng)造了新的應用可能性，并為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)開辟了新領域。Silicon Labs推出的MG22系列Zigbee SoC解決方案、EFP0111GM20節(jié)能型電源管理IC與Si10xx Sub-GHz無線MCU，將能夠為能量收集系統(tǒng)提供優(yōu)異的能耗控管能力，確保嵌入式系統(tǒng)能夠長時間的運行，不再有更換電池的困擾。
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