通過利用 BQ25570 PMIC啟動能量采集

物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)必須在不更換一次電池的情況下運(yùn)行數(shù)年才能最大程度地減少維護(hù)工作。對于某些類型的系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)只需要很少的電池電量，而依賴于能量采集器來滿足長期電力需求，例如太陽能電池陣列或小型蝸輪機(jī)。

能量收集設(shè)計(jì)的根本缺陷是電源不可靠，但也有一些例外情況，例如流量計(jì)，其中液體的運(yùn)動是持續(xù)的，采集器可從這種流動中吸收一部分動能。

大多數(shù)情況下，采集器只能達(dá)到較低持續(xù)性水平的能量流動。遺憾的是，這種能量供應(yīng)通常還有頂峰和低谷，很可能與系統(tǒng)高峰需求不一致。這就需要使用可充電電池或電容器等元器件，將暫時(shí)過剩的能量存儲在系統(tǒng)內(nèi)部的電能儲存器中。

如果系統(tǒng)能夠長時(shí)間保持靜態(tài)，它就可以只消耗極少的電能，讓電能積聚到足以應(yīng)對高峰需求。對于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)而言，這種高峰需求尖峰很常見，如圖 1 所示。當(dāng)這類節(jié)點(diǎn)不工作時(shí)，可以確保其電路的很大一部分處于斷電狀態(tài)，從而達(dá)到整體低能耗目標(biāo)。借助這種低占空比特性，我們可以將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為僅有不超過百分之一的系統(tǒng)生命周期處于高能耗狀態(tài)。

圖 1：典型物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗特征

物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)需要能夠在一定的功耗范圍內(nèi)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)。通常，節(jié)點(diǎn)將感應(yīng)傳入的數(shù)據(jù)，例如某個(gè)管道內(nèi)的流速，或者如果是環(huán)境傳感器，則將感應(yīng)溫度或濕度水平。系統(tǒng)需要將它接收的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵惞?jié)點(diǎn)或服務(wù)器，以便與其他節(jié)點(diǎn)的報(bào)告進(jìn)行比較，如果數(shù)據(jù)表明發(fā)生了重大變化，則需要采取措施。如果比較或篩選算法顯示了可報(bào)告的變化，則節(jié)點(diǎn)將需要激活射頻收發(fā)器，組合數(shù)據(jù)包，并將其發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。節(jié)點(diǎn)還需要偵聽確認(rèn)以及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)更新。

很可能峰值功率就出現(xiàn)在射頻傳輸期間。但是，我們可以對活動進(jìn)行排序，首先組合數(shù)據(jù)包并將其傳送到射頻子系統(tǒng)，讓節(jié)點(diǎn)的一部分關(guān)閉，然后再發(fā)起實(shí)際射頻傳輸。這有助于消除峰值功率，防止電容器和電池組合放電過快。

有一些簡單的電路設(shè)計(jì)技巧可從能量采集器對儲能電容器進(jìn)行充電，以提供足夠的電能來滿足活動高峰的需求。一種技巧是將二極管與太陽能電池或類似采集器及電源軌串聯(lián)。電容器可以充電到采集器的開路電壓。并聯(lián)的過壓保護(hù)可以保護(hù)電容器和電源軌，防止達(dá)到過高的電壓電平。但是，只有在太陽能電池陣列能夠產(chǎn)生高于電源軌的電壓時(shí)，這種方法才適用。很多小型發(fā)電機(jī)，以及基于熱電發(fā)電等其他收集技術(shù)的發(fā)電機(jī)，永遠(yuǎn)不會接近這個(gè)水平。另外，充電到最高電壓不適合太陽能發(fā)電，因?yàn)楫?dāng)前最大功率點(diǎn) (MPP) 的電壓會隨著光照強(qiáng)度發(fā)生變化。

我們需要的是能夠管理電容器和系統(tǒng)電壓的專業(yè)器件。Texas Instruments(TI) 的BQ25570電源管理集成電路 (PMIC) 使得從各種收集源提取微瓦級至毫瓦級的電力成為可能，盡管大多數(shù)收集源為具有較高輸出阻抗的低電壓電源。電池管理功能可確保任何相連的充電電池或儲能電容器不會被這種提取的電力過度充電，從而能夠使用鋰電池安全地工作。它還能確保電池不會損耗至超出系統(tǒng)負(fù)載的安全限值。除了非常高效的升壓充電器之外，BQ25570 還提供超低功耗的降壓轉(zhuǎn)換器，以便為系統(tǒng)提供第二個(gè)電源軌。

BQ25570 通過調(diào)節(jié)充電器的輸入電壓來執(zhí)行最大功率點(diǎn)跟蹤，如圖 2 中的框圖所示，VIN_DC 可以感應(yīng)該輸入電壓。該電壓將與 VREF_SAMP 引腳處的采樣基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。最大功率點(diǎn)跟蹤電路通過周期性禁用充電器大約 250 ms，并對一部分開路電壓進(jìn)行采樣，從而每 16 秒獲取一次新基準(zhǔn)電壓。對于太陽能采集器，最大功率點(diǎn)通常在 70% 至 80% 之間，對于熱電采集器，最大功率點(diǎn)在 50% 左右。BQ25570 通過將 VOC_SAMP 連接到儲能電容器 (VSTOR) 或接地，分別為太陽能和熱電能量來源編程至相應(yīng)的百分比水平。如果輸入源的最大功率點(diǎn)不是 80% 或 50%，則可通過在 VRDIV 和接地引腳之間連接外部電阻器，對這個(gè)比率進(jìn)行編程。

圖 2：采用典型太陽能供電電路的 BQ25570 框圖。

通過使用外部電阻器在 VBAT_OV 引腳上設(shè)置峰值閾值，為充電電池或儲能電容器提供保護(hù)，防止出現(xiàn)過壓或過充的情況。當(dāng)采集器輸入有足夠的電能來驅(qū)動系統(tǒng)時(shí)，此設(shè)置也適用于由充電器向系統(tǒng)提供電壓的情況。

促使人們選擇儲能電容器的部分原因是其整體尺寸，另外也有漏電方面的考慮。電化學(xué)“超級電容器”可提供最高的電容，電容值最高達(dá)到 50 F。但是，它們的漏電水平很高，這使其不適用于間歇性收集能量的設(shè)計(jì)。鉭電容器可能是更好的選擇，但其防火能力是一個(gè)令人擔(dān)憂的問題，在設(shè)計(jì)中需要注意。這類電容器要提供合理的高電容水平，漏電水平也需要在毫微安培的范圍內(nèi)。但如果在成本、安全性和低漏電這幾方面綜合考慮，陶瓷電容器會是相對較好的選擇，雖然它的電容只有大約半毫法拉。

為了便于進(jìn)行能耗預(yù)算管理，BQ25570 控制著“電池良好”(VBAT_OK) 標(biāo)志。當(dāng)儲能電池或電容器的電壓降至低于預(yù)設(shè)的臨界水平時(shí)，會向連接的微處理器發(fā)出警報(bào)信號。使用這種方法可以開始減少負(fù)載電流，以防系統(tǒng)進(jìn)入欠壓狀態(tài)。使能信號讓 MCU 能夠控制 PMIC 的狀態(tài)，在必要的情況下，可將其置于超低靜態(tài)電流的休眠狀態(tài)，以進(jìn)一步節(jié)省電能。

在很多低占空比系統(tǒng)中，MCU 能夠進(jìn)入深度休眠狀態(tài)，將功耗降低到非常低的水平。但是，在某些情況下，系統(tǒng)可能因?yàn)閮淠芰繒簳r(shí)耗盡而無法繼續(xù)工作。我們可以將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成不僅能容忍這種情況，還能將其視為正常現(xiàn)象，并利用技術(shù)來避免完全重啟的需要。這些系統(tǒng)設(shè)計(jì)有助于將能量收集變成一種更具可行性的技術(shù)。

很多 MCU 依賴于備用存儲單元，在休眠期間保存關(guān)鍵數(shù)據(jù)。如果這些 MCU 采用 SRAM，則在電源中斷的情況下，備用存儲單元將出現(xiàn)一些漏電，將會導(dǎo)致內(nèi)容丟失。定期將數(shù)據(jù)寫入閃存，可在一定程度上解決這個(gè)問題。但是，如果收到即將發(fā)生電源故障的警告，但又沒有足夠的電力提供所需的高電流來執(zhí)行一系列閃存寫入，也會出現(xiàn)問題。為了支持閃存寫入，MCU 通常需要集成式充電泵，以完成擦除和寫入操作，這通常需要持續(xù)幾百毫秒的 5 mA 至 10 mA 的電流。

此外，也可以讓 MCU 可以完全斷電，并在電源恢復(fù)時(shí)重啟，然后嘗試從永久存儲器恢復(fù)其狀態(tài)，或者通過下載在關(guān)閉之前提供的狀態(tài)信息從服務(wù)器進(jìn)行恢復(fù)。但是，這種方法將會大幅增加功耗，并且在 PMIC 和電容器沒有積聚足夠電能的情況下，節(jié)點(diǎn)可能出現(xiàn)一連串的重啟失敗。通過存儲臨時(shí)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)無需進(jìn)行重啟。有關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)的信息越詳細(xì)，系統(tǒng)為了確保正常工作需要執(zhí)行的恢復(fù)工作就越少。

鐵電隨機(jī)存取存儲器 (FRAM) 提供了一種存儲器技術(shù)，在出現(xiàn)斷電的情況下，它能夠在系統(tǒng)中存儲大量的臨時(shí)數(shù)據(jù)，而且功耗非常低。FRAM 的主要優(yōu)點(diǎn)是支持超低功耗寫入。可通過兩種不同方式發(fā)現(xiàn)這種優(yōu)點(diǎn)。與閃存不同，寫入 FRAM 不需要預(yù)先擦除周期。寫入操作本身需要的電荷也遠(yuǎn)低于閃存。

FRAM 的構(gòu)造與 DRAM 相似，采用電容存儲元件。它通常與編程晶體管組合在一起。閃存使用高電場將電荷存儲在晶體管浮動?xùn)诺慕^緣體內(nèi)部，而鐵電電容器則將電荷存儲在電容器內(nèi)部。與常規(guī)電容器不同，鐵電電容器的材料是經(jīng)過精心選擇的，在施加編程電荷時(shí)，該材料能夠在其晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成半永久性電偶極子。讀取是破壞性的，因?yàn)樗仁箚卧M(jìn)入空態(tài)。但是，寫入的功耗非常低，因而它能夠在每次成功讀取后輕松執(zhí)行，如果值為“1”則替代原始值，或者加載新的“1”。

TIMSP430FRx 系列MCU 包括多達(dá) 128 KB 的片上 FRAM，用于數(shù)據(jù)的永久存儲。MCU 支持超低功耗狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，片上存儲器陣列和寄存器不加電，但 FRAM 將繼續(xù)存儲其內(nèi)容。

計(jì)算通過功率損耗 (CTPL) 軟件實(shí)用工具為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了一種簡便的方法，來利用 FRAM 提供永久狀態(tài)存儲功能。資源庫提供了很多應(yīng)用程序編程接口 (API) 以監(jiān)控電源故障等事件，并對事件做出響應(yīng)。通常，在系統(tǒng)斷電之前，軟件資源庫將狀態(tài)數(shù)據(jù)從 SRAM 和寄存器傳輸?shù)?FRAM。

電力恢復(fù)后，CPTL 資源庫可將 FRAM 內(nèi)容傳回 SRAM 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和 MCU 寄存器，以便繼續(xù)執(zhí)行。

通過構(gòu)建系統(tǒng)軟件來最大程度地減少完全喚醒周期的次數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的電源優(yōu)化。設(shè)計(jì)通常分為兩大類：響應(yīng)式和周期式。響應(yīng)式工作方式可將系統(tǒng)置于待機(jī)狀態(tài)，等待某些活動或事件發(fā)生，然后才啟動處理，最后再返回深度休眠狀態(tài)。

活動可能與收集功能本身相關(guān)聯(lián)。例如，在通過收集振動或運(yùn)動來供電的系統(tǒng)中，任何劇烈運(yùn)動不僅提供能量，還能激活傳感器節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行記錄。以橋梁震動監(jiān)控器為例，它可以利用這種活動來驅(qū)動其運(yùn)行，即當(dāng)大型車輛或大風(fēng)影響橋梁結(jié)構(gòu)并產(chǎn)生高應(yīng)力時(shí)，監(jiān)控器將立即進(jìn)行測量。

相反，周期式系統(tǒng)則在固定間隔之后喚醒，并且進(jìn)行測量。如果數(shù)據(jù)達(dá)到了需要引起注意的級別，系統(tǒng)會進(jìn)行處理，并可能通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，然后重新進(jìn)入休眠模式。雖然與純粹的響應(yīng)式系統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，周期式架構(gòu)浪費(fèi)了更多電能，但在很難簡單地使用活動閾值來確定輸入是否應(yīng)該引起注意的情況下，通常需要使用這種架構(gòu)。電感式流量感應(yīng)就是一個(gè)例子。

但是，使用像 MSP430RFx 這樣的 MCU，就可以減少能耗。像MSP420FR413x之類器件上的 10 位 ADC 可以觸發(fā)，獨(dú)立于 CPU 內(nèi)核工作。在定義的周期過后，實(shí)時(shí)時(shí)鐘可以開始采集操作。然后，具有上限和下限的窗口比較器能夠確定是否需要喚醒 CPU 來執(zhí)行進(jìn)一步分析。這樣可以限制傳感器節(jié)點(diǎn)生命周期中所需的完全喚醒次數(shù)。

總結(jié)

因此，MSP430 可以作為超高能效的響應(yīng)式或周期式物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的核心使用，通過利用 BQ25570 PMIC 啟動能量采集，將系統(tǒng)的使用壽命進(jìn)一步延長至超過使用純電池設(shè)計(jì)可能達(dá)到的極限。