能量采集系统设计诀窍

1764 能量采集

工业4.0是一个术语，描述了虚实融合系统对工厂产生革命性影响的展望。在近期的一篇与这个概念有关的德文文章中，我讨论了到目前为止，工业革命如何成为全新数据管理与新能源支配和使用的组合产物—而正是这个能量采集为工业4.0的运行提供了源源不断的动力。由于针对成功能量采集的最佳做法没有得到很好地分享，限制了这些设计的成功率，我将在本篇博文中分享这些最佳做法中的一部分。
我经常被问到一个问题，那就是设计一个最佳能量采集系统的诀窍是什么。在这篇博文中，我将讨论在能量采集设计方面，设计出一个“熊”系统要比设计出一个“树懒”系统更重要。

能量采集系统的秘诀就是要与熊很相似，熊能够：

知道冬天何时来临，并且能够适应随之而来的气候变化。
能够以足够快的速度捕鱼来应对冬天的到来。
在环境需要时大幅度地减少新陈代谢速度（冬眠）。
在外部环境刺激它的感官时，非常迅速地从冬眠中醒来。

在能量采集时最容易犯的错误就是像树懒一样，树懒：

无法适应多变的环境（它的自然栖息地的有限性正好说明了这一点）。
当生存受到威胁时，几乎不能够加快运动的速度。
不能根据周遭环境的变化来调节消耗的能量，而总是将它保持在最低水平。

但是，我们怎样才能将树懒和熊转化为嵌入式电子系统呢？虽然也许需要一整篇博文才能把这个问题解释清楚，不过大多数设计人员应该已经知道的是，一块太阳能电池能够在任何地方产生能量，在同样平方厘米大小的光伏活动区域内，发电的功率在0（无光照），2.5µW（光照弱），直到最高10mW（阳光充足）范围内。类似于熊的系统将能够采集全部这些能量，而与树懒相似的系统将针对最差情况电源进行了优化，比如说1µW。自然情况下，树懒方法限制了采集周围能量的机会，并且不能够适应全新的环境条件，从而限制了这些系统能够提供给用户的优势。
你也许会问，如何才能真正设计出一款运行方式类似于熊的系统呢？其中的一个入手点就是针对热电发电机 (TEG) 的通用能量采集适配器模块ti Designs参考设计。在这个最低功耗模式中，这个设计运行电流为60nA，并且能够以80%以上的效率采集40µW到数百毫瓦的能量。此外，当系统处于冬眠模式时，它能够随时唤醒，以应对环境变化。
由于针对超低功耗和能量采集的TI器件的独特组合，有可能实现这一性能：TPL5100可编程定时器和bq25570电源管理集成电路 (IC)，加上业内最低功耗微控制器单元 (MCU)，MSP430FR5969 MCU，以及最低功耗比较器，TLV3691。
TPL5100生成这个参考设计的“心跳”。这款定时器的最佳特性是能够以30nA的电流运行，此外，为了实现系统内部管理功能 (housekeeping)，还可以定期唤醒MSP430™ MCU。当我在帮助设计这款IC时，我希望能够生成一个到超低功耗MCU的中断，比如说MSP430FR5969 MCU，或者是断开负载。在这个TI Designs参考设计中，我正在为你演示的是第一种方式下的使用方法。
为了采集周围环境中的能量，我选择的是bq25570；这是一款DC/DC升压转换器，它能够在运行动态最大功率点追踪 (MPPT) 的同时，将90%的输入能源（功率可低至100µW）转换为电能，这款器件也可断电，断电后的功率只有1nW。
这个系统的大脑是MSP430FR5969 MCU。在最低功率模式下 (LPM4.5) ，这款MCU在保持通用输入/输出 (GPIO) 功能，以实现异步中断，或者直接为系统的低功耗功能供电的情况下，流耗只有20nA。
将熊从冬眠中唤醒的“感官刺激”来自TLV3691，一款运行电流只有75nA的比较器，并且被设计为监视输入电压。由于它的低功耗特性，MSP430FR5969 MCU的GPIO可以为这款比较器供电，并根据需要将其打开和关闭。

图2：这个参考设计的方框图，采用的是BoosterPack外形尺寸，以实现快速原型设计

如果你正打算设计一个功耗极低或者以能量采集为基础的系统，你可以看一看这个参考设计中的电路原理图、布局布线和测试数据。如果你有任何成功经验，或者你在以前的设计中曾经遇到的设计难题，请在下方与我们分享。
一定要使你的能量采集系统像熊一样，并使它具有很强的适应性，并且占据主导地位，成为整个生态系统的主宰！