技术干货－采用能量收集技术为嵌入式系统设计永续供电

SiliconLabs 2024-11-14 17:04

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许多无法连接市电的嵌入式系统通常会采用电池供电，但当电池电量用完时，更换电池的维护成本相对较高，并造成相当多的困扰，若能通过能量收集技术来为系统永续供电，便可解决这个问题。本文将为您介绍如何利用能量收集技术来建立永久运行的嵌入式系统，以及由Silicon Labs（芯科科技）推出的相关解决方案。

追求实现永久运行的能量收集系统

能量收集技术正在迅速成为嵌入式系统设计人员的可行电源选择，使无线传感器能够用于以前传统电池供电设计无法实现的应用。例如，能量收集电源使系统设计人员能够轻松构建范围超过100米、使用寿命超过20年的超薄无线传感器。

能量收集系统的最终目标是实现永久运行，能量收集系统可以通过确保收集到的能量，能够满足或超过系统在运行期间消耗的能量来实现永久运行。能源管理是设计能量收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出，能量采集器可将太阳能、机械能或热能转化为电能。太阳能采集器具有最高的功率密度，能够采集15 mW/cm2的表面积，最大化能量收集器的输出功率，对于构建强大的能量收集系统至关重要。

在设计能量收集系统时最重要的是提供足够的功能和最小化嵌入式系统的功耗，通过选择具有低泄漏规格的元器件，并使用超低功耗微控制器（MCU）（例如Silicon Labs的Si10xx无线MCU），可以实现低功耗。大多数用于在电池供电系统中实现低功耗操作的技术，都可用于最大限度地减少能量收集系统中的功耗。

让我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的平均电流传输数据。该系统配备了太阳能电池板，可在白天提供50 µA的连续电流。白天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。只要系统每天暴露在至少4.8小时的日光下，能量收集系统就能实现永久运行。

薄膜电池平衡收获和消耗的平均功率

能够实现永久运行的能量收集系统有两类，每一类的能量存储机制各不相同。第一种类型需要长时间收集和积累能量，并使用泄漏极低、高容量的能量容器，例如薄膜电池。通过平衡收获的平均能量和消耗的平均功率来实现永久运行。此类能量收集系统最为灵活，通常会在短时间内爆发高功耗。这些系统大部分时间都处于低功耗睡眠模式，始终通电并随时收集能量。此类系统的一个示例是太阳能无线传感器节点。

第二种类型的能量收集系统保持在未通电状态，直到检测到能量脉冲、收集能量，并将其存储在低阻抗能量容器（例如电容器）中。短暂上电复位后，系统使用从能量脉冲收集的有限能量执行必要的系统功能。通过平衡执行任务时消耗的总能量和单个脉冲中收获的能量来实现永久运行。此类系统的一个例子是无线灯具开关，它使用机械开关产生的能量，将射频信号传输到位于灯具处的接收器。

钮扣电池、AA锂电池和锂亚硫酰氯电池等传统电池已在需要长寿命的嵌入式系统中使用多年，薄膜电池的引入为系统设计人员在成本、尺寸和安全性之间进行权衡创造了一种新的选择。由于开发人员不断面临降低系统成本的压力，经济型钮扣电池似乎是降低制造成本，以及将产品快速推向市场的最佳解决方案。然而，更换钮扣电池时会产生隐性成本。如果您认为薄膜电池的总寿命储能容量超过30个CR2032钮扣电池，您很快就会得出结论，与更换30个钮扣电池的成本相比，薄膜电池的初始成本微乎其微，并超过嵌入式系统生命周期的数倍。

在考虑电池尺寸时，薄膜电池的外形是所有电池类型中最薄的（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，薄膜电池非常适合需要超薄外形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相关的安全问题，例如易燃和爆炸危险。由于薄膜电池是可充电的，因此在任何给定时间仅存储其总寿命容量的一部分，如果电池意外短路或暴露在极热或明火中，这将使电池更加安全。薄膜电池产生的废物也比大型传统电池少得多，传统电池通常最终被扔进垃圾填埋场而不是被回收。

能量收集参考设计加速产品开发设计

电池供电的物联网设备的功耗一直是影响着物联网设备运行的关键问题，各种无线标准背后的组织，致力于帮助满足消费者对该领域的设备降低功耗的期望，Zigbee Green Power便是在设计无线通信时，考虑到能量收集的一个很好的例子。

Silicon Labs和艾睿电子共同开发了一种基于Silicon Labs EFR32MG22片上系统（SoC）的能量收集参考设计，该设计将Zigbee Green Power灯具开关与能量收集电源管理配对。MG22设计用于Zigbee协议，尺寸紧凑，并拥有先进的安全功能，使其成为超低功耗终端设备的理想选择。Silicon Labs亦提供节能型电源管理IC，例如EFP0111，来提供更佳的电源管理能力。Silicon Labs还可提供MCU、无线入门套件，以及提供了强大的开发和调试环境的Simplicity Studio，将可协助客户快速开发能量收集系统。

该设计的核心组件是能量收集发电机，此参考设计采用了ZF的单稳态发电机模块。这是一个双向开关发电机，这意味着按下和释放开关时都会产生能量，该开关具有两个磁极的磁铁，向下推动开关会产生一个穿过磁芯并返回到另一极的磁场。然后，当用户释放开关时，磁场发生变化并沿相反方向穿过核心，这种变化的磁场会产生电流，这就是我们可以收获的能量。当按下或释放ZF发电机时，该发电机会产生交流电压，系统可以利用这种机械能产生的能量打开灯具，其最终目标是在开关和灯具之间在不布线的情况下可以开起与关闭灯具。

为物联网设备供电是一项能源密集型工作，创新无需电池的设备供电新方法将简化开发并有助于创造更清洁的环境。例如，利用使LED闪烁一次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应用而优化的网络相结合，将为电源管理的新时代奠定基础，并为制造商和消费者降低巨大的成本和浪费。

高性能、低功耗的功率管理解决方案

Silicon Labs推出的EFR32MG22（MG22）系列SoC是经过优化的Zigbee解决方案，可为智能家居传感器、照明控制以及楼宇和工业自动化等物联网应用带来业界领先的能效。

EFR32MG22和EFR32MG22E Zigbee SoC解决方案是Wireless Gecko Series 2平台的一部分。MG22系列提供优化的Zigbee SoC解决方案，该解决方案融合了带TrustZone的高性能、低功耗76.8 MHz ARM® Cortex® -M33内核。MG22让您能够创建节能应用，而MG22E（“E”表示节能）通过延长电池寿命和支持完全无需电池的设计，进一步增强了节能优势。MG22 SoC将超低传输和接收功率（+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围器件组合在一起，为使用Zigbee协议的应用（包括Green Power），提供业界领先的节能解决方案。

Silicon Labs的EFP0111GM20节能型电源管理IC（PMIC）则是一款灵活、高效、多输出电源管理IC，可为EFR32和EFM32器件提供完整的系统电源、三个输出电压导轨和主电池电荷计量功能。EFP0111升压引导程序PMIC可在1.7至5.2的电压范围内运行，静态电流低至150 nA。EFP0111GM20支持从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活性。

Silicon Labs的Si10xx Sub-GHz无线MCU则是将高性能的无线连接技术与超低功耗微控制器处理相结合，实现5 x 6 mm的小封装。器件支持的频段范围为142至1050 MHz，包括集成的高级数据包处理引擎与链路预算高达146 dB的能力。通过减小TX、RX、活动和睡眠模式电流，以及支持快速唤醒时间来优化设备，降低电池支持应用的能耗。Si106x MCU与Si108x器件引脚兼容，闪存容量可在8至64 kB间调整，并提供稳健的模拟和数字外围器件，包括ADC、双比较器、定时器和GPIO。所有器件设计均符合802.15.4g智能计量标准，且支持全球监管标准，包括FCC、ETSI和ARIB规范。

结语

能量收集技术已经变得相当流行，并且由于它为嵌入式系统设计提供了许多好处，预计在未来几年将变得更加普遍。正确设计的能量收集系统一旦克服了最初的加电重置，就能够永久运行。通过精心的系统设计，能量收集系统的使用寿命可延长至20年以上。薄膜电池因其超薄外形和低泄漏特性而常用于能量收集系统，无需主电源或传统的可更换电池，设计可自主维持嵌入式系统的灵活性，创造了新的应用可能性，并为嵌入式系统开发开辟了新领域。Silicon Labs推出的MG22系列Zigbee SoC解决方案、EFP0111GM20节能型电源管理IC与Si10xx Sub-GHz无线MCU，将能够为能量收集系统提供优异的能耗控管能力，确保嵌入式系统能够长时间的运行，不再有更换电池的困扰。