物联网设备的超低功耗管理---凯利讯半导体
据估计，物联网每年将产生100s的zettabytes(兆字节)数据，而这个数字只是在增加。到2020年，平均家庭对这一数字的贡献将增加五倍。创建数据不需要太多的计算能力，因为数据可以通过最简单的传感器集线器获取、数字化和存储。MEMS传感器可以探测9个轴上的运动，这些传感器在每一侧只测量1到2毫米。这些微小的设备和越来越多的传感器构成了今天的IoT的核心，使端点能够实时在线获取、处理和共享数据。
由于预计更多的终端将从有限的能源或从其环境中获取的能源进行操作，因此对超低能耗操作的需求正在增加。端点可以是更大的传感器网络的一部分，但也可能是远程和孤立的。一旦投入使用，他们可能会在没有维护的情况下运行多年，包括更换电池。
制造商正忙于开发新的解决方案来解决这一设计挑战，使我们能够构想出能够在不需要任何外部电源的情况下收集和传输信息的设备。在可穿戴设备的情况下，这可能很快就会包括由穿戴者的身体或其活动提供动力的设备。
激励!
为了说明这一点是如何实现的，请考虑图1中所示的框图。在大多数应用中，电源部分可以是各种电源管理设备中的任意一种，但对于超低功耗的应用程序，选择仅限于特定的解决方案，以最大限度地利用有限的可用能量，如获取能量。
能量收集集成解决方案的框图。
图1:越来越多的集成解决方案现在针对的是主要来自获取能源的应用程序。
图2中的框图显示了一个典型的能量收集示例，该示例使用来自模拟设备的ADP5090电源管理单元。
基于ADP5090的模拟设备的能量采集应用程序框图。
图2:基于模拟设备ADP5090的能量采集应用程序框图。
这是一个超低功耗调压器，它集成了最大的功率点跟踪(MPPT)和电荷管理功能。MPPT可以配置为光电和热电两种能源，运行在16w到200mw的范围内。该设备可以从电源电压低到380 mV，从80 mV开始运行。它还支持使用可选的初级电池，可以自动开关。在3毫米×3毫米，16铅装置很小，但非常有能力，使它理想的许多物联网应用。该设备由一个评估和演示套件支持，ADP5090-2-EVALZ(图3)，提供了开发能量收集应用程序的完美平台。
模拟装置的图像ADP5090-2-EVALZ评价板。
图3:ADP5090-2- evalz提供了一个完美的平台，用于对ADP5090超低功耗调压器进行MPPT和模拟设备的充电管理（图片来源：凯利讯半导体）。
另一种解决方案来自线性技术的LTC3588-1。与其他以能量采集为目标的PMICs一样，它具有超低的静态电流。由于它的设计是与一个具有交流电的能量源(如压电发电机)一起工作，LTC3588集成了一个低损耗的全波桥整流器和一个buck调节器(参见图4)。
线性技术LTC3588-1纳米能量获取电源的方框图。
图4:线性技术的LTC3588-1纳米能量获取电源的框图。
连接到Vin引脚的外部电容器充当能量储存器，而输出电容则是受管制输出的一部分。该装置产生了buck转换器的内部驱动轨道，从而使输入电容中的电荷转移到输出电容上。该装置的功能是循环往复，当输入电压足够高时，buck变换器启动。当它落在跌落电压下时，buck转换器被禁用，输出被输出电容所控制。在正常运行过程中，由外部电感器定义的滞回循环。输出电压可以使用D0和D1输入到1.8 V、2.5 V、3.3 V或3.6 V。LTC3588-1的所有功能可以使用演示电路DC1459B-A-ND进行评估。
如果该应用是一个从太阳能电池运行的无线传感器，那么Cypress半导体的S6AE101A可能是完美的解决方案。这种能量收获PMIC与线性源太阳能电池等,并能在光照条件函数低至100勒克斯由于其低启动功率仅为1.2μW要求。还可以包含一个可选的主单元，以确保在无光照条件下运行。图5显示了S6AE101A的框图，显示了主要的功能，包括电源控制。
Cypress半导体S6AE101A能量采集PMIC的框图。
图5:S6AE101A能量采集PMIC的框图，用于无线传感器节点，来自：凯利讯半导体。
该设备通过将存储电压与阈值进行比较来操作。当存储电压超过阈值时，输出电压将自动启用。一旦存储电压降至阈值以下，输出电压将被禁用。活动时间由系统总耗电量决定，因此根据应用、电压源和储能电容的大小而变化。这也必须与发电机提供能量的能力相权衡，因此，为储存电容充电所需要的时间。S6AE101A的所有特性都可以使用开发工具包S6SAE101A00SA1002进行评估。
连接
在我们的示例应用程序中，主要的功能元素之一是射频收发器。由于对超低功耗无线网络的需求增加，针对这个应用领域的高度集成解决方案的数量继续增加。最近添加的是MAX7037 fromMaxim集成，它是一个4波段的subghz射频收发器，集成了8051单片机和混合信号传感器接口(图6)。
马克西姆整合的MAX7037图。
图6:马克西姆集成的MAX7037是一种超低功率的四波段多通道收发器，目标是超低功耗的无线传感器网络。
在主机处理器的控制下，MAX7037在传输模式下只消耗16 mA，接收到22 mA，在深度睡眠模式下下降到100na。设计用于在世界范围内的ISM次ghz波段，它可以配置为使用FFSK, FMSK或ASM调制在315,433,868或915 - 930 MHz的操作。
混合信号传感器接口通过一个集成的9位sigma delta ADC支持模拟传感器。主机CPU在UART上控制MAX7037，但默认情况下它是作为SPI的奴隶运行的。在这种模式下，它的64kbyte的芯片上的闪存可以保存由主机CPU编程的固件。TEST0引脚控制设备是否在编程或运行时模式启动。要评估MAX7030的特性，请查看theMAX7037EVKIT。
一种不需要主机CPU的替代和稍微集成的解决方案，可以是来自德州仪器的CC1310，它是SimpleLink家族的一部分。如图7所示,超低功耗sub-GHz无线单片机集成手臂®皮层®m3自主运行的核心与一种超低功耗传感器控制器可以节省系统的力量,和一个完全集成的射频收发器能够在315年,433年,470年,500年,779年、868年和915 - 920 MHz。
德州仪器CC1310高度集成的无线单片机。
图7:来自德州仪器的CC1310是一个来自SimpleLink家庭的高度集成的无线单片机。
添加传感器
这种物联网设备的核心是用来捕捉数据的传感器。尽管存在许多形式的传感器，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的流行用例包括心率监测和脉搏血氧仪。这些功能通常是通过led和光电二极管实现的。SFH7050 BioMon传感器从Osram Opto半导体是一个主要的例子。它集成了三个发射器(绿色、红色和红外线)和一个检测器在一个单独的包中测量4.7毫米×2.5毫米×0.9毫米。
在可穿戴设备中经常使用的其他传感形式包括运动传感，在这里，MEMS传感器在功能、大小和功率方面都很出色。许多制造商现在将几种类型的传感器集成到一个单一的设备中，使其更加容易地将功能添加到可穿戴或不显眼的小产品上。
例如，TDK InvenSense的ICM-20789是一个带有集成压力传感器的6轴MEMS运动传感器。它的特点是一个三轴陀螺仪和一个三轴加速度计，由压力传感器补充，可以用来跟踪海拔的变化。运动和压力传感器由他们自己的温度传感器支持校准。但是，温度测量也可以被主机应用程序使用。
MEMS传感器由一个数字式运动处理器(DMP)连接，在CMOS和晶片层上实现，它与一个仅4 mm×1.365 mm的包中的传感器相连。虽然主机系统的主要接口是I2C，但该设备的特性是通过使用在DMP上运行的驱动程序的api来访问和控制的。这允许配置传感器参数和输出数据速率，以及模式(低功率或低噪声)和I2C/SPI接口。
所有功能都可以使用DK-20789 SmartMotion平台进行评估，该平台提供了基于gui的开发环境来控制和配置设备，以及捕获和可视化它所生成的数据。
把它放在一起
上述组件的组合可以在我们的假设应用程序中使用。表1显示了每个设备的相关电气特性。
需要指出的是，这篇文章中每一个设备的功率要求在操作过程中会有很大的变化，这取决于模式、启动的激增和环境条件。表1所提供的数字纯粹是为了说明，并不是确定的。
注:
根据制造商的数据表数据，这些数据是依赖负载的，仅供参考。
计算公式1，基于周期为10毫秒。
方程1:
方程1
方程2:
方程2
表1:这篇文章中提到的设备的能源需求的说明。
表1中所示的能源数据，已在应用说明AN210772中使用公式计算出来:“S6AE101A、S6AE102A和S6AE103A的能量收集能量计算”。它由Cypress半导体公司生产，以支持S6AE101A/2A/3A系列的能量采集PMICs，以更好地评估给定应用程序的能源需求。
虽然他们是非常粗略的估计，但通过这些数字作为起点，我们可以开始为我们的应用建立一个能源预算。通过假设一个周期为10毫秒的周期，选择表1中突出显示的组件，说明我们假设的IoT设备将消耗3.4 mJ。如果我们把这个数字方程2,我们可以估计,我们的应用程序将需要至少1000μF电容器充电。
当然，这可以在应用程序的基础上进行优化，但它至少表明，在理论上可以使用现有的解决方案来开发一种高功能的可穿戴设备。
结论
对开发利用能源的超低功耗无线传感器网络的解决方案的粗略调查表明，开发这些应用程序是完全可行的。随着物联网继续扩张，半导*造商将抓住机遇，为耗电量更低的设备提供服务。
使用当今的技术，我们有可能在有限的能源预算中创建一个功能的、自供电的物联网设备，该设备使用远程、低功率的无线连接，只要它只需要很少传输数据，并能获得足够的“*”能源。