休眠能量收集設(shè)計(jì)的上電順序管理

從長期存儲(chǔ)展開時(shí)的設(shè)計(jì)搭載環(huán)境能量面臨獨(dú)特的挑戰(zhàn)。沒有可用的能源儲(chǔ)備，這些設(shè)計(jì)必須遵循謹(jǐn)慎序列單獨(dú)的電路元件，特別是設(shè)備，如微控制器(MCU)，可以在初始化過程中表現(xiàn)出顯著電力需求開機(jī)的。對(duì)于工程師，從“冷啟動(dòng)”成功電的MCU為基礎(chǔ)的能源采集的設(shè)計(jì)成為與電壓監(jiān)控和專門能量采集裝置的組合，從制造商包括Analog Devices公司，凌力爾特，美信集成的應(yīng)用程序更容易，微芯片技術(shù)，Silicon Labs公司和德州儀器等等。

對(duì)于設(shè)計(jì)搭載環(huán)境來源，波動(dòng)能量水平往往決定了使用能量儲(chǔ)存裝置，如可再充電電池或超級(jí)電容器通過能量的峰和谷，以維持額定功率的可用性。然而，用于從存儲(chǔ)取或以其它方式離開無能量的時(shí)間過長源的能量采集設(shè)計(jì)，一些實(shí)用的能量存儲(chǔ)設(shè)備將能夠在這些時(shí)期，以保持足夠的電荷以允許快速恢復(fù)電路的操作。因此，設(shè)計(jì)者將需要采用旨在確保電過程順利地進(jìn)行的策略。在許多情況下，簡單地暴露休眠電路到其周圍的電源將不足以可靠地恢復(fù)操作。事實(shí)上，作為動(dòng)力水平開始上升，這些設(shè)計(jì)必須保證有足夠的功率可支持高耗電設(shè)備，如MCU和無線收發(fā)器正確的初始化。

上電復(fù)位

對(duì)于一個(gè)線路供電的設(shè)計(jì)或一種繪圖功率從一個(gè)高能量的光源，電路初始化的更精細(xì)的細(xì)節(jié)很少的問題。即使有足夠的可用功率，然而，電路需要仔細(xì)排序，以確保所需的其它元素的塊完全初始化并在使用前供電。在典型的基于MCU的設(shè)計(jì)，簡單的上電復(fù)位IC，例如ADI公司ADM6711和ADM6713，Microchip的技術(shù)TCM809和德州儀器TLV803提供電源復(fù)位時(shí)序和電壓監(jiān)控的處理器(圖1)。

ADI公司ADM6711和ADM6713圖片

圖1：上電復(fù)位IC，例如ADI公司ADM6711和ADM6713提供簡單的解決方案，電源排序的微控制器。該ADM6711擁有一個(gè)推挽輸出，無需額外的外部元件，而ADM6713提供漏極開路輸出，需要一個(gè)外部上拉電阻，并允許超過VCC連接電壓等級(jí)。 (Analog Devices公司提供)

在此類裝置通常監(jiān)控電源電壓，并提供上電，斷電復(fù)位信號(hào)，并且每當(dāng)電源電壓下降到低于預(yù)設(shè)閾值。這些類型的設(shè)備典型地包括100內(nèi)置的延遲 - 200毫秒產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，以允許電源電壓給處理器重新啟動(dòng)之前穩(wěn)定之前。凌力爾特的LTC2935擴(kuò)展這些基本功能與附加功能，其中包括早期預(yù)警電源故障輸出，當(dāng)電源電壓下降到略高于最終復(fù)位閾值的閾值的信號(hào)。事實(shí)上，工程師們可以找到各種各樣的復(fù)雜的權(quán)力監(jiān)督功能電壓監(jiān)控器集成電路。

對(duì)于設(shè)計(jì)，搭載低能量來源環(huán)境，但是，以確?？煽康碾娐芳せ顝睦鋯?dòng)可能需要超越簡單加電復(fù)位功能更為復(fù)雜的方法。例如，即使作為收獲電路工作累積足夠的能量，漏電流，或亞閾值電路的激活，復(fù)雜設(shè)備，諸如微控制器已經(jīng)可以排水能力，增加以達(dá)到閾啟動(dòng)水平所需要的時(shí)間，或在最壞的情況下，防止它完全。

功率消耗

在微控制器，參與設(shè)備啟動(dòng)內(nèi)部電路可以開始激活遠(yuǎn)低于電源接通的閾值，從而導(dǎo)致一個(gè)顯著功率消耗甚至在這個(gè)早期階段(圖2)。在非采集應(yīng)用，如果電源電壓接通迅速，這個(gè)電流消耗僅登記在功率曲線曇花一現(xiàn)。在冷起動(dòng)能量采集應(yīng)用，然而，在電源電壓可能上升很慢，這個(gè)電流可以成為顯著，甚至排水能力比收獲電路快可以從它的環(huán)境源提取能量。在這種最壞的情況，但是合理的情況下，系統(tǒng)可能不會(huì)到達(dá)功率閾值。

Silicon Labs的小壁虎微控制器的電流分布的圖像

圖2：即使在超低功耗MCU，內(nèi)部電路看家開始吸取功率以及之前電源達(dá)到上電門檻 - 潛在地降低了能量收集設(shè)計(jì)的，從低能量環(huán)境資源的能力，以冷啟動(dòng)。這種電流分布顯示了從Silicon Labs的小壁虎微控制器作為電源VDD接近電流測(cè)量。 (Silicon Labs公司提供)

此外，當(dāng)電源達(dá)到上電閾值時(shí)，設(shè)計(jì)必須確保足夠的能量可通過他們的功率初始化階段并進(jìn)入正常操作，以維持電路元件。復(fù)雜的設(shè)備，如MCU可表現(xiàn)出上電過程中比較高的電力需求。例如，當(dāng)無動(dòng)力的時(shí)間周期長，去耦電容器將完全放電。當(dāng)電源電壓被接通時(shí)，去耦電容將首先出現(xiàn)短路和電流的流動(dòng)將僅由在電力線的電阻和電感的限制。

除了這些瞬態(tài)效應(yīng)，MCU和其他復(fù)雜設(shè)備的初始化要求，可能會(huì)導(dǎo)致顯著電力需求。例如，即使在編程上電復(fù)位立即進(jìn)入睡眠模式時(shí)，Silicon Labs的小壁虎微控制器吸引約400毫安300微秒 - 由MCU所需的時(shí)間從電源復(fù)位過渡到它的能源模式1(EM1)睡眠狀態(tài)(圖3)。

對(duì)Silicon Labs的小壁虎微控制器的啟動(dòng)功率要求圖片

圖3：MCU啟動(dòng)功率要求可以達(dá)到顯著的水平，因?yàn)樵O(shè)備帶來了外圍設(shè)備，存儲(chǔ)器，I / O緩沖器和處理器核心電路。在此測(cè)量啟動(dòng)過程中所需的功率時(shí)，Silicon Labs的小壁虎微控制器吸引了300微秒這種快速的處理器，需要從電源復(fù)位過渡到睡眠狀態(tài)，EM1約4毫安。 (Silicon Labs公司提供)

為了防止MCU從能量存儲(chǔ)設(shè)備之前排出采集的能量已經(jīng)建立了足夠的儲(chǔ)備安全地電的MCU，一個(gè)開關(guān)可以收獲電路和MCU之間插入。實(shí)際上，電路設(shè)計(jì)人員可以使用電壓監(jiān)控集成電路如上面提到的那些，以控制用于直到功率達(dá)到額定值的范圍從供給軌脫開MCU中的邏輯電平選通MOSFET開關(guān)的柵極。

事實(shí)上，在能量收集設(shè)計(jì)成功電順序臨界功率在能量存儲(chǔ)裝置中累積取決于諸如可充電電池或超級(jí)電容器。因此，來自能量收集子系統(tǒng)輸出功率通常是最重要的是施加到確保這些設(shè)備被充滿電。對(duì)于這個(gè)功能，專門IC，如ADI公司ADP5090，凌特LTC3331，美信集成MAX17710和德州儀器BQ25570提供了有效的解決方案，結(jié)合能量收集功能，帶有片上電路充電鋰離子電池或超級(jí)電容器。

結(jié)論

造就了一個(gè)能量收集設(shè)計(jì)從“冷啟動(dòng)”需要認(rèn)真注意電壓等級(jí)和累積能量的電流容量。如果沒有MCU和其他設(shè)備大型開辦功率要求認(rèn)真電源排序，功率從環(huán)境能源可收獲的啟動(dòng)順序完成之前，甚至造成初創(chuàng)嘗試和失敗的重復(fù)周期被耗盡。使用可用上電復(fù)位，電壓監(jiān)視和儲(chǔ)能充電器集成電路的組合，工程師可以確保其設(shè)計(jì)可靠完成相對(duì)復(fù)雜的通電序列而從即使是低能量的環(huán)境來源收獲的能量。