驳回能量搜集技术为嵌入式系统设计永续供电

【导读】 许多不可衔接市电的嵌入式系统理论会驳回电池供电，但当电池电量用完时，改换电池的保养老本相对较高，并形成相当多的困扰，若能经过能量搜集技术来为系统永续供电，便可处置这个疑问。本文将为您引见如何应用能量搜集技术来建设终身运转的嵌入式系统，以及由Silicon Labs（芯科科技）推出的关系处置打算。

许多不可衔接市电的嵌入式系统理论会驳回电池供电，但当电池电量用完时，改换电池的保养老本相对较高，并形成相当多的困扰，若能经过能量搜集技术来为系统永续供电，便可处置这个疑问。本文将为您引见如何应用能量搜集技术来建设终身运转的嵌入式系统，以及由Silicon Labs（芯科科技）推出的关系处置打算。谋求成功终身运转的能量搜集系统能量搜集技术正在迅速成为嵌入式系统设计人员的可行电源选用，使无线传感器能够用于以前传统电池供电设计不可成功的运行。例如，能量搜集电源使系统设计人员能够轻松构建范围超越100米、经常使用寿命超越20年的超薄无线传感器。能量搜集系统的最终指标是成功终身运转，能量搜集系统可以经过确保搜集到的能量，能够满足或超越系统在运转时期消耗的能量来成功终身运转。动力治理是设计能量搜集系统的一个关键方面，第一步是确定采集器的可用功率输入，能量采集器可将太阳能、机械能或热能转化为电能。太阳能采集用具备最高的功率密度，能够采集15 mW/cm2的外表积，最大化能量搜集器的输入功率，关于构建弱小的能量搜集系统至关关键。在设计能量搜集系统时最关键的是提供足够的配置和最小化嵌入式系统的功耗，经过选用具备低走漏规格的元器件，并经常使用超低功耗微控制器（MCU）（例如Silicon Labs的Si10xx无线MCU），可以成功低功耗。大少数用于在电池供电系统中成功低功耗操作的技术，都可用于最大限制地缩小能量搜集系统中的功耗。让咱们看一个太阳能无线传感器节点的示例，该节点每20分钟以10 µA的平均电传达输数据。该系统装备了太阳能电池板，可在白昼提供50 µA的延续电流。白昼可用于给电池充电的净电流为40 µA，夜间电池以10 µA的速率放电。只需系统每天泄露在至少4.8小时的日光下，能量搜集系统就能成功终身运转。

薄膜电池平衡收获和消耗的平均功率能够成功终身运转的能量搜集系统有两类，每一类的能量存储机制各不相反。第一种类型须要长时期搜集和积攒能量，并经常使用走漏极低、高容量的能量容器，例如薄膜电池。经过平衡收获的平均能量和消耗的平均功率来成功终身运转。此类能量搜集系统最为灵敏，理论会在短时期内迸发高功耗。这些系统大局部时期都处于低功耗睡眠形式，一直通电并随时搜集能量。此类系统的一个示例是太阳能无线传感器节点。第二种类型的能量搜集系统坚持在未通电形态，直到检测到能量脉冲、搜集能量，并将其存储在低阻抗能量容器（例如电容器）中。持久上电复位后，系统经常使用从能量脉冲搜集的有限能量口头必要的系统配置。经过平衡口头义务时消耗的总能量和单个脉冲中收获的能量来成功终身运转。此类系统的一个例子是无线灯具开关，它经常使用机械开关发生的能量，将射频信号传输到位于灯具处的接纳器。钮扣电池、AA锂电池和锂亚硫酰氯电池等传统电池已在须要短命命的嵌入式系统中经常使用多年，薄膜电池的引入为系统设计人员在老本、尺寸和安保性之间启动掂量发明了一种新的选用。因为开发人员不时面临降落系统老本的压力，经济型钮扣电池仿佛是降落制作老本，以及将产品极速推向市场的最佳处置打算。但是，改换钮扣电池时会发生隐性老本。假设您以为薄膜电池的总寿命储能容量超越30个CR2032钮扣电池，您很快就会得出论断，与改换30个钮扣电池的老本相比，薄膜电池的初始老本微不足道，并超越嵌入式系统生命周期的数倍。在思考电池尺寸时，薄膜电池的形状是一切电池类型中最薄的（小至0.17 mm）。薄膜电池的总寿命容量相当于四节锂“AA”电池或一节“C”型锂亚硫酰氯电池，薄膜电池十分适宜须要超薄形状和长电池寿命的空间有限的嵌入式系统。此外，薄膜电池不会带来与大型传统电池关系的安保疑问，例如易燃和爆炸风险。因为薄膜电池是可充电的，因此在任何给定时期仅存储其总寿命容量的一局部，假设电池异常短路或泄露在极热或明火中，这将使电池愈加安保。薄膜电池发生的废物也比大型传统电池少得多，传统电池理论最终被扔进渣滓填埋场而不是被回收。

能量搜集参考设计减速产品开发设计电池供电的物联网设施的功耗不时是影响着物联网设施运转的关键疑问，各种无线规范面前的组织，努力于协助满足生产者对该畛域的设施降落功耗的希冀，Zigbee Green Power便是在设计无线通讯时，思考到能量搜集的一个很好的例子。Silicon Labs和艾睿电子独特开发了一种基于Silicon Labs EFR32MG22片上系统（SoC）的能量搜集参考设计，该设计将Zigbee Green Power灯具开关与能量搜集电源治理配对。MG22设计用于Zigbee协定，尺寸紧凑，并领有先进的安保配置，使其成为超低功耗终端设施的现实选用。Silicon Labs亦提供节能型电源治理IC，例如EFP0111，来提供更佳的电源治理才干。Silicon Labs还可提供MCU、无线入门套件，以及提供了弱小的开发和调试环境的Simplicity Studio，将可协助客户极速开发能量搜集系统。该设计的中心组件是能量搜集发电机，此参考设计驳回了ZF的单稳态发电机模块。这是一个双向开关发电机，这象征着按下和监禁开关时都会发生能量，该开关具备两个磁极的磁铁，向下推进开关会发生一个穿过磁芯并前往到另一极的磁场。而后，当用户监禁开关时，磁场出现变动并沿相反方向穿过中心，这种变动的磁场会发生电流，这就是咱们可以收获的能量。当按下或监禁ZF发电机时，该发电时机发生交换电压，系统可以应用这种机械能发生的能量关上灯具，其最终指标是在开关和灯具之间在不布线的状况下可以开起与封锁灯具。为物联网设施供电是一项动力密集型上班，翻新无需电池的设施供电新方法将简化开发并有助于发明更清洁的环境。例如，应用使LED闪动一次性所需的能量就足以传输多个RF信号。低功耗硅芯片设计与针对低功耗运行而优化的网络相联合，将为电源治理的新时代奠定基础，并为制作商和生产者降落渺小的老本和糜费。 高性能、低功耗的功率治理处置打算Silicon Labs推出的EFR32MG22（MG22）系列SoC是经过优化的Zigbee处置打算，可为智能家居传感器、照明控制以及楼宇和工业智能化等物联网运行带来业界上游的能效。EFR32MG22和EFR32MG22E Zigbee SoC处置打算是Wireless Gecko Series 2平台的一局部。MG22系列提供优化的Zigbee SoC处置打算，该处置打算融合了带TrustZone的高性能、低功耗76.8 MHz ARM® Cortex® -M33内核。MG22让您能够创立节能运行，而MG22E（“E”示意节能）经过延伸电池寿命和允许齐全无需电池的设计，进一步增强了节能长处。MG22 SoC将超低传输和接纳功率（+6 dBm下8.2 mA TX，3.9 mA RX）、1.4 µA深度睡眠形式功率和低功耗中心器件组合在一同，为经常使用Zigbee协定的运行（包含Green Power），提供业界上游的节能处置打算。Silicon Labs的EFP0111GM20节能型电源治理IC（PMIC）则是一款灵敏、高效、多输入电源治理IC，可为EFR32和EFM32器件提供完整的系统电源、三个输入电压导轨和主电池电荷计量配置。EFP0111升压疏导程序PMIC可在1.7至5.2的电压范围内运转，静态电流低至150 nA。EFP0111GM20允许从1.5至5.5伏的多种电池，可在提高EFR32和EFM32功耗效率的同时，为多种不同的电池技术提供灵敏性。Silicon Labs的Si10xx Sub-GHz无线MCU则是将高性能的无线衔接技术与超低功耗微控制器处置相联合，成功5 x 6 mm的小封装。器件允许的频段范围为142至1050 MHz，包含集成的初级数据包处置引擎与链路估算高达146 dB的才干。经过减小TX、RX、优惠和睡眠形式电流，以及允许极速唤醒时期来优化设施，降落电池允许运行的能耗。Si106x MCU与Si108x器件引脚兼容，闪存容量可在8至64 kB间调整，并提供持重的模拟和数字中心器件，包含ADC、双比拟器、定时器和GPIO。一切器件设计均合乎802.15.4g智能计量规范，且允许环球监管规范，包含FCC、ETSI和ARIB规范。结语能量搜集技术曾经变得相当盛行，并且因为它为嵌入式系统设计提供了许多好处，估量在未来几年将变得愈加广泛。正确设计的能量搜集系对抗旦克制了最后的加电重置，就能够终身运转。经过精心的系统设计，能量搜集系统的经常使用寿命可延伸至20年以上。薄膜电池因其超薄形状和低走漏个性而罕用于能量搜集系统，无需主电源或传统的可改换电池，设计可自主维持嵌入式系统的灵敏性，发明了新的运行或者性，并为嵌入式系统开发开拓了新畛域。Silicon Labs推出的MG22系列Zigbee SoC处置打算、EFP0111GM20节能型电源治理IC与Si10xx Sub-GHz无线MCU，将能够为能量搜集系统提供优秀的能耗控管才干，确保嵌入式系统能够长时期的运转，不再有改换电池的困扰。

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