能量采集設(shè)計(jì)中的上電排序管理

由環(huán)境能源驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)在長(zhǎng)期存儲(chǔ)中部署時(shí)面臨著獨(dú)特的挑戰(zhàn)。由于沒(méi)有可用的能量?jī)?chǔ)備，這些設(shè)計(jì)必須遵循為各個(gè)電路元件供電的仔細(xì)順序，特別是在初始化期間可能表現(xiàn)出顯著功率需求的微控制器（MCU）等設(shè)備。對(duì)于工程師而言，通過(guò)應(yīng)用ADI公司，凌力爾特公司，Maxim Integrated等制造商的電壓監(jiān)控器和專用能量采集設(shè)備，可以更加輕松地從“冷啟動(dòng)”成功啟動(dòng)基于MCU的能量采集設(shè)計(jì)。 Microchip Technology，Silicon Labs和Texas Instruments等。

對(duì)于由環(huán)境源供電的設(shè)計(jì)，波動(dòng)的能量水平通常決定使用儲(chǔ)能設(shè)備，如可充電電池或超級(jí)電容器，以通過(guò)能量峰值和谷值維持標(biāo)稱功率可用性。然而，對(duì)于從存儲(chǔ)中獲取的能量收集設(shè)計(jì)或者在沒(méi)有能量源的情況下長(zhǎng)時(shí)間離開，很少有實(shí)際的能量存儲(chǔ)設(shè)備能夠在這些時(shí)段期間保持足夠的電荷以允許快速恢復(fù)電路操作。因此，設(shè)計(jì)人員需要采用旨在確保上電過(guò)程順利進(jìn)行的策略。在許多情況下，簡(jiǎn)單地將休眠電路暴露于其環(huán)境電源將不足以可靠地恢復(fù)操作。實(shí)際上，隨著功率水平開始上升，這些設(shè)計(jì)必須確保有足夠的功率來(lái)支持高功耗設(shè)備（如MCU和無(wú)線收發(fā)器）的正確初始化。

上電復(fù)位

對(duì)于線路供電設(shè)計(jì)或來(lái)自高能源的一次繪圖電源，電路初始化的更精細(xì)細(xì)節(jié)很少成為問(wèn)題。然而，即使有足夠的可用功率，電路也需要仔細(xì)排序，以確保其他元件所需的模塊在使用前完全初始化和供電。在典型的基于MCU的設(shè)計(jì)中，簡(jiǎn)單的上電復(fù)位IC，如ADI公司的ADM6711和ADM6713，Microchip Technology TCM809和Texas Instruments TLV803，為處理器提供電源復(fù)位時(shí)序和電壓監(jiān)控（圖1）。

圖1：上電復(fù)位IC，如ADI公司的ADM6711和ADM6713，為MCU的電源排序提供了簡(jiǎn)單的解決方案。 ADM6711具有推挽輸出，無(wú)需額外的外部元件，而ADM6713提供漏極開路輸出，需要外部上拉電阻，并允許連接高于VCC的電壓。 （由Analog Devices提供）

此類器件通常監(jiān)控電源電壓，并在上電，斷電以及電源電壓低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)提供復(fù)位信號(hào)。這些類型的器件通常包括在產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)之前100-200毫秒的內(nèi)置延遲，以允許電源電壓在處理器重啟之前穩(wěn)定。凌力爾特公司的LTC2935通過(guò)附加功能擴(kuò)展了這些基本功能，包括預(yù)警電源失效輸出，當(dāng)電源降至略低于最終復(fù)位閾值的閾值時(shí)發(fā)出信號(hào)。實(shí)際上，工程師可以找到具有廣泛復(fù)雜功率監(jiān)控功能的電壓監(jiān)控IC。

然而，對(duì)于由低能量環(huán)境光源供電的設(shè)計(jì)，確保從冷啟動(dòng)開始可靠的電路激活可能需要更多的參與方法，而不僅僅是簡(jiǎn)單的加電復(fù)位功能。例如，即使收集電路工作以積累足夠的能量，泄漏電流或亞閾值電路激活，諸如MCU之類的復(fù)雜設(shè)備也可能已經(jīng)耗電，增加了達(dá)到閾值啟動(dòng)水平所需的時(shí)間，或者在最壞的情況下，完全防止它。

功耗

在MCU中，器件啟動(dòng)所涉及的內(nèi)部電路可以在低于上電閾值時(shí)開始激活，即使在這個(gè)早期階段也會(huì)導(dǎo)致大量功耗（圖2）。在非采伐應(yīng)用中，電源電壓快速接通，這種電流消耗幾乎不會(huì)記錄為功率曲線中的一個(gè)亮點(diǎn)。然而，在冷啟動(dòng)能量收集應(yīng)用中，電源電壓可以非常緩慢地上升，這種電流可能變得很大，甚至比收集電路從其環(huán)境源提取能量更快地耗電。在這種最壞情況但似乎合理的情況下，系統(tǒng)可能永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到開機(jī)閾值。

圖2：即使在超低功耗MCU中，內(nèi)部管理電路也會(huì)在電源達(dá)到上電閾值之前開始充分利用電源 - 可能降低能量收集設(shè)計(jì)從低能量環(huán)境源冷啟動(dòng)的能力。該電流曲線顯示當(dāng)電源接近VDD時(shí)，從Silicon Labs Tiny Gecko MCU獲取的電流測(cè)量結(jié)果。 （由Silicon Labs提供）

此外，當(dāng)電源達(dá)到上電閾值時(shí)，設(shè)計(jì)需要確保有足夠的能量來(lái)維持電路元件的電源初始化階段并進(jìn)入正常工作狀態(tài)。諸如MCU的復(fù)雜設(shè)備在通電期間可能表現(xiàn)出相對(duì)高的功率需求。例如，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間未供電時(shí)，去耦電容將完全放電。當(dāng)電源電壓接通時(shí)，去耦電容最初將顯示為短路，電流僅受電源線中電阻和電感的限制。

超出瞬態(tài)效應(yīng)，初始化MCU和其他復(fù)雜設(shè)備的要求可能導(dǎo)致巨大的電力需求。例如，即使編程為在電源復(fù)位時(shí)立即進(jìn)入睡眠模式，Silicon Labs Tiny Gecko MCU也會(huì)在300μs內(nèi)消耗大約4 mA電流 - MCU從電源復(fù)位轉(zhuǎn)換到能量模式1（EM1）睡眠狀態(tài)所需的時(shí)間（圖3）。

圖3：隨著器件調(diào)出外設(shè)，存儲(chǔ)器，I/O緩沖器和處理器核心電路，MCU啟動(dòng)電源要求可達(dá)到很高的水平。在這次啟動(dòng)期間所需的功率測(cè)量中，Silicon Labs Tiny Gecko MCU在300μs時(shí)為這個(gè)快速處理器從電源復(fù)位轉(zhuǎn)換到睡眠狀態(tài)EM1所需的電流約為4 mA。 （由Silicon Labs提供）

為了防止MCU在能量存儲(chǔ)設(shè)備已經(jīng)建立足夠的儲(chǔ)備以安全地為MCU上電之前耗盡所收集的能量，可以在收集電路和MCU之間插入開關(guān)。事實(shí)上，電路設(shè)計(jì)人員可以使用上面提到的電壓監(jiān)控IC來(lái)控制邏輯電平門控MOSFET開關(guān)的柵極，用于將MCU與電源軌分開，直到功率達(dá)到標(biāo)稱電平。

事實(shí)上，能量采集設(shè)計(jì)中成功的上電排序主要取決于能量存儲(chǔ)設(shè)備（如可充電電池或超級(jí)電容器）中累積的功率。因此，來(lái)自能量收集子系統(tǒng)的功率輸出通常最重要地應(yīng)用于確保那些設(shè)備被完全充電。對(duì)于該功能，專門IC，例如Analog Devices公司ADP5090，凌力爾特LTC3331器，Maxim Integrated MAX17710和德州儀器BQ25570提供一種有效的解決方案，與片上電路組合能量采集功能進(jìn)行充電的鋰離子電池或超級(jí)電容器。

結(jié)論

從“冷啟動(dòng)”中提出能量收集設(shè)計(jì)需要特別注意電壓水平和累積能量的電流容量。如果沒(méi)有對(duì)具有大啟動(dòng)功率要求的MCU和其他設(shè)備進(jìn)行仔細(xì)的電源排序，則在啟動(dòng)序列完成之前可以耗盡從環(huán)境能源獲取的功率，甚至導(dǎo)致啟動(dòng)嘗試和故障的重復(fù)循環(huán)。通過(guò)結(jié)合使用可用的上電復(fù)位，電壓監(jiān)控和儲(chǔ)能充電器IC，工程師可以確保其設(shè)計(jì)可靠地完成相對(duì)復(fù)雜的上電序列，同時(shí)從低能量環(huán)境源獲取能量。