物联网传感器网络设备的低功耗解决方案

据估计，物联网每年会产生100多个zettabytes(万亿千兆字节)的数据，而这个数字只会增加。到2020年，平均家庭对这一数字的贡献数据预计将增加五倍。创建数据不需要太多的计算能力，因为可以使用最简单的传感器集线器捕获，数字化和存储数据。能够检测九轴运动的MEMS传感器采用封装，每侧仅测量1或2毫米。这些微型设备和越来越多的传感器构成了当今物联网的核心，使端点能够实时在线捕获，处理和共享数据。

由于预计更多端点可以在有限的电源下运行，从他们的环境中收获的能量，对超低功率运行的需求正在增加。端点可以是更大传感器网络的一部分，但也可能是远程和隔离的。一旦投入使用，它们可能会运行多年而无需维护，包括更换电池。

制造商正忙于开发新的解决方案来应对这一设计挑战，使我们能够设想可以收集和传输信息的设备需要任何外部电源。在可穿戴设备的情况下，这可能很快就会包括仅由佩戴者的身体或其活动提供动力的设备。

Energize!

为了说明如何实现这一点，请考虑块如图1所示。在大多数应用中，功率部分可以是各种电源管理器件中的任何一种，但对于超低功耗应用，选择仅限于专门开发的解决方案，以最大限度地提高有限的可用功率，如收获能源。

图1：越来越多的集成解决方案现在主要针对主要来自收获能源的应用。

图2中的框图显示了使用ADI公司ADP5090电源管理单元的典型能量收集示例。

图2：框图基于ADI公司的ADP5090的能量收集应用。

这是一款集超大功率的超低功耗升压稳压器点跟踪(MPPT)和费用管理功能。 MPPT可配置为光电和热电能源，工作范围为16 W至200 mW。该器件可以从低至380 mV的电源电压开始，仅从80 mV开始工作。它还支持使用可选的原电池，可以自动切换和切换。这款16引脚器件尺寸仅为3 mm×3 mm，体积小巧，功能强大，是许多物联网应用的理想选择。该器件由评估和演示套件ADP5090-2-EVALZ(图3)提供支持，为开发能量收集应用提供了完美的平台。

图3：ADP5090-2-EVALZ为评估ADP5090超低功耗升压稳压器提供了完美的平台，该稳压器具有MPPT和ADI公司的充电管理功能。

表格中提供了另一种解决方案凌力尔特公司的LTC3588-1。与其他针对能量收集的PMIC一样，它具有超低静态电流。由于LTC3588设计用于带有交流电的能源，如压电发电机，因此LTC3588集成了低损耗全波桥式整流器和降压稳压器(见图4)。

图4：凌力尔特公司的LTC3588-1纳米级能量收集电源的框图。

连接到Vin引脚的外部电容作为储能器，输出电容器构成调节输出的一部分。该器件为降压转换器生成内部驱动轨，从而使输入电容中的电荷能够传输到输出电容。该器件通过开启和关闭降压转换器来工作。当输入电压足够高时，降压转换器启动。当它低于压差电压时，降压转换器被禁用，输出由输出电容保持。该滞后循环在正常操作期间重复，由外部电感器限定。可以使用D0和D1输入设置输出电压至1.8 V，2.5 V，3.3 V或3.6 V.可以使用演示电路DC1459B-A-ND评估LTC3588-1的所有功能。

如果应用是从太阳能电池运行的无线传感器，那么赛普拉斯半导体的S6AE101A可能是完美的解决方案。这种能量收集PMIC可与线性光源(如太阳能电池)配合使用，并且由于其低启动功率仅需1.2μW，因此能够在低至100 lux的光照条件下工作。还可以包括可选的主电池，以确保在无光条件下操作。图5显示了S6AE101A的框图，显示了主要特性，包括功率门控。

图5：S6AE101A能量收集PMIC的框图用于无线传感器节点，来自赛普拉斯半导体公司。

该器件通过将存储的电压与阈值进行比较来运行。只要存储的电压超过阈值，输出电压就会自动启用。一旦存储的电压降至阈值以下，就禁用输出电压。有效时间由总系统功耗决定，因此根据应用，电压源和储能电容器的大小而变化。还必须权衡发电机输送能量的能力，以及充电存储电容所需的时间。可以使用开发套件S6SAE101A00SA1002评估S6AE101A的所有功能。

连接

在我们的示例应用中，主要功能元件之一是RF收发器。由于对超低功耗无线网络的需求增加，针对该应用领域的高度集成解决方案的数量不断增加。最新增加的是Maxim Integrated的MAX7037，它是一款4频段sub-GHz RF收发器，集成了8051微控制器和混合信号传感器接口(图6)。

图6：Maxim Integrated的MAX7037是一款超低功耗四通道多通道收发器，适用于超低功耗无线传感器网络。

在一个控制下作为主处理器，MAX7037在发送模式下功耗仅为16 mA，在接收时功耗仅为22 mA，在深度睡眠模式下仅降至100 nA。设计用于全球ISM sub-GHz频段，可配置为使用FFSK，FMSK或ASM调制在315,433,868或915-930 MHz下工作。

混合信号传感器接口通过集成的9位sigma delta ADC支持模拟传感器。主机CPU通过UART控制MAX7037，但默认情况下它作为SPI从机运行。在此模式下，其64 KB的片上闪存可以保存主机CPU编程的固件。 TEST0引脚控制器件是在编程模式还是运行模式下启动。要评估MAX7030的功能，请查看MAX7037EVKIT。

另一种不需要主机CPU的替代且稍微集成的解决方案可能是德州仪器的CC1310，是SimpleLink的一部分家庭。如图7所示，这款超低功耗sub-GHz无线MCU集成了ARM®Cortex®-M3内核和超低功耗传感器控制器，可自主运行以节省系统功耗，以及完全集成的RF收发器能够在315,433,470,500,779,868和915 - 920 MHz下工作。

图7：德州仪器的CC1310是SimpleLink系列高度集成的无线MCU

添加传感器

这种物联网设备的核心是用于捕获数据的传感器。虽然存在多种形式的传感器，但MEMS技术已经彻底改变了传感器领域。

用于运动或医疗目的的可穿戴技术中的常见用例包括心率监测和脉搏血氧测定。这些功能通常使用LED和光电二极管来实现。欧司朗光电半导体的SFH7050 BioMon传感器就是一个很好的例子。它集成了三个发射器(绿色，红色和红外)和一个探测器，单个封装尺寸仅为4.7 mm×2.5 mm×0.9 mm。

可穿戴设备中常用的其他形式的感应包括运动感应，以及在这里，MEMS传感器在功能，尺寸和功率方面表现出色。许多制造商现在将几种类型的传感器集成到一个设备中，这使得更容易将功能添加到可以不显眼地佩戴或携带的小型产品中。

例如，TDK InvenSense的ICM-20789是带有集成压力传感器的6轴MEMS运动传感器。它具有3轴陀螺仪和3轴加速度计，并辅以压力传感器，可用于跟踪高度变化。运动和压力传感器由其自身的温度传感器支持，以进行校准。然而，温度测量也可以由主机应用程序使用。

MEMS传感器由数字运动处理器(DMP)连接，采用CMOS实现，晶圆级封装测量传感器仅4毫米×4毫米×1.365毫米。虽然主机系统的主要接口是I 2 C，但是使用API在DMP上运行的驱动程序访问和控制设备的功能。这样可以配置传感器参数和输出数据速率，以及模式(低功耗或低噪声)和I 2 C/SPI接口。

所有可以使用DK-20789 SmartMotion平台评估这些功能，该平台提供基于GUI的开发环境来控制和配置设备，以及捕获和可视化它产生的数据。

全部使用

上述组件的组合可用于我们的假设应用程序。表1显示了每个器件的相关电气特性。

应该注意的是，本文中介绍的每个器件的功率要求在运行期间会有很大差异，具体取决于模式，启动时的浪涌 - 向上和环境条件。表1中提供的数字仅供参考，并不是确定的。

V(见注1)I(见注1)能量(见注2)ADP5090 3 V 100 mA 30mJ LTC3588-1 3.3 V 950 nA 31.35μJS6AEAE101A3.3 V 250nA8.25μJMAX70373.3 V 26mA858μJCC13103.6 V 30 mA 1.08mJ SFH7050 1.8 V 125 mA 2.25mJ ICM-20789 1.8 V 3mA54μJ

注：

根据制造商的数据表数据估算 - 这些数字与负载有关，仅供参考。

使用公式1计算，基于10 ms的周期性接通时间

等式1：

公式2：

表1：本文所述设备的能源需求说明。

表1中所示的能量数据是使用应用说明AN210772：“用S6AE101A，S6AE102A和S6AE103A进行能量收集的能量计算”中详述的等式计算的。它由赛普拉斯半导体公司生产，用于支持其S6AE101A/2A/3A系列能量收集PMIC，以更好地估算给定应用的能量需求。

虽然它们是非常粗略的估计，但通过使用这些数字作为起点我们可以开始为我们的应用建立能源预算。通过假设10 ms的周期性接通时间，选择表1中突出显示的组件表明我们假设的IoT设备将消耗大约3.4 mJ。如果我们将这个数字放入公式2，我们可以估计我们的应用需要一个至少1000μF的充电电容。

当然，这可以根据应用进行优化，但它可以在至少表明，使用目前可用的解决方案，理论上可以开发出一种由收集能量驱动的高功能可穿戴设备。

结论

粗略研究可用于开发超低功耗的解决方案从收获的能量运行的无线传感器网络表明开发这些应用是完全可行的。随着物联网的不断扩展，半导体制造商将抓住机会满足对功耗更低的设备的需求，这是可靠的。

使用当今的技术，可以创造一个功能强大的自我 - 使用远程，低功率无线连接的有限能量预算的有源物联网设备，前提是它只需要不经常传输数据并且可以获得足够的“自由”能量。