超低功耗MCU可實現(xiàn)能量收集設(shè)計的數(shù)據(jù)采集和調(diào)節(jié)功能

微控制器系列提供廣泛的片上外設(shè)，具有納安級睡眠和微安有源功率模式。能量收集有望延長應(yīng)用的使用壽命，具有高可靠性但電池壽命有限。作為任何能量收集設(shè)計的核心，超低功耗MCU可在嚴格的功率預(yù)算范圍內(nèi)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集和調(diào)節(jié)功能。各種MCU將低功耗操作與片上外設(shè)相結(jié)合，工程師需要滿足應(yīng)用和系統(tǒng)功耗要求。

能量收集利用連續(xù)或接近連續(xù)的環(huán)境來源產(chǎn)生微量能量。該過程將環(huán)境能源轉(zhuǎn)換為有用的能量。這種方法特別適用于功率器件難以安裝和維護的應(yīng)用，其中線纜太昂貴或笨重，并且端點太多或者傳統(tǒng)上散布得太多。例如，能量收集繼續(xù)吸引越來越多的注意力，例如輪胎壓力監(jiān)測，智能建筑，智能儀表和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中無處不在的節(jié)點。在某些情況下，無電池（或零功率）操作可帶來顯著的成本效益。對于公用事業(yè)儀表，更換電池可能花費數(shù)百美元。在其他情況下，零功耗操作可以啟用新類別的應(yīng)用程序。例如，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，電池供電的傳感器對于埋藏的傳感器或由于成本或危險而難以接近的傳感器是不切實際的。

典型的能量收集設(shè)計包括能源（如太陽能電池），儲能（如電池），無線通信子系統(tǒng)和專用組件（如溫度傳感器）和超低功耗MCU（見圖1）。

圖1：無線通信子系統(tǒng)圖。

在這些設(shè)計中，能源范圍從WiFi無線電信號的1 nW/cm2收集功率到室外光線的高達100 mW/cm2。在這些水平上，很少有應(yīng)用可以直接從合理尺寸的收集能量收集器操作，例如天線或太陽能電池或陣列。因此，設(shè)計有效的基于MCU的能量收集應(yīng)用需要仔細分析功率要求，并嚴格遵守相應(yīng)的功率預(yù)算。

事實上，能量收集的有效應(yīng)用具有一系列共同特征：低數(shù)據(jù)速率和低占空比。例如，在ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個案例研究［參考文獻1］中，工程師看到節(jié)點大約99％的時間處于睡眠狀態(tài) - 在一個典型的一分鐘周期內(nèi)僅活動864毫秒。雖然理想化的應(yīng)用可能會出現(xiàn)一個簡單的，經(jīng)常重復(fù)的電流尖峰（圖2），但工程師可能會遇到更復(fù)雜的電流曲線，例如與不可靠或基于競爭的應(yīng)用中的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)和通信相關(guān)的曲線（圖2b）。

（a）

（b）圖2：簡單，定期重復(fù)的電流尖峰。盡管在更簡單的應(yīng)用中睡眠狀態(tài)持續(xù)時間明顯占主導(dǎo)地位，但MCU在達到和維持活動狀態(tài)時的功耗在很大程度上決定了這些應(yīng)用中的功率預(yù)算。也就是說，實現(xiàn)有效電流和占空比的減小通常在降低總功率要求方面比實現(xiàn)低睡眠電流狀態(tài)更有效。事實上，工程師將發(fā)現(xiàn)運行待機電流水平遠低于1μA，采用先進的超低功耗MCU，如Silicon Labs的EFM32系列，恩智浦/Jennic的JN5148-00 MCU，Microchip的PIC24F16KA102 MCU，Silicon Labs的C8051F9xx MCU系列和德州儀器（TI）的MSP430 MCU系列。超低功耗MCU通常提供多級待機操作 - 從微安范圍內(nèi)的有限待機水平到納安級范圍內(nèi)的深度睡眠水平。

在工作模式下，這些器件的有效電流水平遠低于300μA/MHz。例如：

Silicon Labs的EFM32 32位Gecko系列具有180-μA/MHz有源運行模式，睡眠電流為20 nA。

NXP/Jennic的JN5148-00 32-位MCU提供280-μA/MHz有源模式，具有100 nA的休眠電流。

Microchip的PIC24F16KA102 16位MCU在工作運行模式下提供182μA/MHz，睡眠電流為20 nA。

Silicon Labs的C8051F9xx MCU系列具有低于170μA/MHz的有效電流，待機電流《50 nA。

德州儀器（TI）的MSP430 MCU系列提供160μA/MHz的有源狀態(tài)，待機電流《1μA。

這些數(shù)字說明了這些MCU可用的低功率電平。然而，具體數(shù)字可能會產(chǎn)生誤導(dǎo)，因為有功功率取決于特定應(yīng)用設(shè)計的特定工作頻率。

雖然有源電流要求在超低功耗設(shè)計中至關(guān)重要，但MCU喚醒時的方式和效率也會影響所需的功率預(yù)算。在從睡眠狀態(tài)到活動狀態(tài)的延長過渡期間所需的增加的功率是浪費的功率 - 對于試圖從環(huán)境中收獲幾毫瓦的應(yīng)用而言是嚴重的并發(fā)癥（參見圖3）。

圖3：從睡眠狀態(tài)到活動狀態(tài)的延長轉(zhuǎn)換期間所需的功率增加是浪費功率。

根據(jù)應(yīng)用的不同，不同的睡眠 - 喚醒方案可能會有所不同創(chuàng)造顯著不同的工作周期。此外，雖然提供此類MCU的半導(dǎo)體制造商通常會引用1到2μs的喚醒時間，但實際喚醒時間取決于工作頻率。這需要在與更高頻率操作相關(guān)聯(lián)的增加的總功率和與更快的喚醒時間相關(guān)的更有效的操作之間進行平衡。因此，設(shè)計基于能量收集的應(yīng)用的工程師需要考慮喚醒曲線及其對總功率的貢獻。

對于先進的超低功耗16位和32位MCU，當前產(chǎn)品的顯著差異在于片上子系統(tǒng)的可用性，特別是I/O通道，時鐘管理，模數(shù)轉(zhuǎn)換器和無線通信組件（圖4）。每個片外信號偏移都會消耗額外的功率，如果MCU必須首先激活靜態(tài)外部子系統(tǒng)，則進一步的喚醒延遲變得不可避免。另一方面，包含應(yīng)用所不需要的片上組件可能會威脅到能量收集設(shè)計超過其功率預(yù)算。因此，半導(dǎo)體制造商將其超低功耗MCU內(nèi)核與特定應(yīng)用領(lǐng)域所需的各種組件進行混合搭配。每個制造商的MCU系列可能包括針對特定超低功耗應(yīng)用的多個部件，以及片上轉(zhuǎn)換器和通信子系統(tǒng)的不同組合。

圖4：I/O通道，時鐘管理，模數(shù)轉(zhuǎn)換器和無線通信組件。

對于希望采用能量收集技術(shù)的工程師新設(shè)計，大多數(shù)超低功耗MCU制造商提供的開發(fā)套件將其旗艦MCU與各種能源傳感器和存儲設(shè)備相結(jié)合，并在完整的電路板上提供參考軟件套件。兩個流行的開發(fā)套件包括：

Microchip的XLP 16位能量收集開發(fā)套件將其PIC24F16KA102與Cymbet的EnerChip薄膜存儲器件相結(jié)合（圖5）

德州儀器的eZ430-RF2500- SEH太陽能收集開發(fā)套件包括TI的MSP430，Cymbet的薄膜EnerChip器件和高效率的2.25 x 2.25英寸太陽能電池板，優(yōu)化用于在室內(nèi)低強度熒光燈下工作。

圖5：Microchip的XLP 16位能量收集開發(fā)套件。