使用能量收集技术为嵌入式系统设计永久供电

追求能源采集系统中永续运作的实现

能源采集技术正迅速成为嵌入式系统设计师可行的电源选择，使无线传感器能够用于以前传统电池供电设计不可行的应用中。例如，能源采集电源使系统设计师能够轻松构建超薄的无线传感器，其覆盖范围超过100米，且使用寿命超过20年。

能量采集系统的最终目标是实现永久运行。能量采集系统可以通过确保采集的能量满足或超过系统运行期间消耗的能量来实现永久运行。能量管理是设计能量采集系统的关键方面。第一步是确定能量采集装置的可用输出功率。能量采集装置能够将太阳能、机械能或热能转换为电能。太阳能采集装置具有最高的功率密度，能够在每平方厘米表面积采集15毫瓦的能量。最大化能量采集装置的输出功率对于构建一个稳健的能量采集系统至关重要。

设计能量采集系统最重要的方面是在提供足够功能性的同时，尽量减少嵌入式系统的功耗。通过选择具有低漏电规格的组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。在电池供电系统中用于实现低功耗的多数技术也可以应用于能量采集系统中，以最大限度地降低功耗。

让我们考虑一个太阳能供电的无线传感器节点的例子，该节点每20分钟传输一次数据，平均电流为10 µA。该系统配备了一块太阳能电池板，在白天可以提供50 µA的连续电流。在白天，充电电池的净电流为40 µA，而到了晚上，电池以10 µA的速率放电。只要系统每天至少暴露在4.8小时的阳光下，这个能量采集系统就能实现永久运行。

平衡薄膜电池在能量采集和消耗中的平均功率

有两种类型的能量采集系统能够实现永久运行，每种类型使用不同的能量存储机制。第一种类型需要较长时间收集和积累能量，使用低泄漏、高容量的能量存储设备，例如薄膜电池。通过将平均采集的能量与平均功耗平衡来实现永久运行。这类能量采集系统最为灵活，通常会经历短时间的高功耗运行。大多数时间它们处于低功耗的休眠模式，始终保持供电状态并持续采集能量。这类系统的一个示例是太阳能供电的无线传感器节点。

第二种类型的能量采集系统在检测到能量脉冲之前处于无电状态。它会采集能量，并将其存储在一个低阻抗能量容器（例如电容器）中。在进行短暂的上电复位后，系统利用从脉冲中收集的有限能量来执行必要的系统功能。通过在任务执行过程中消耗的总能量与从单个脉冲中采集的能量之间达到平衡，从而实现持续运行。这类系统的一个例子是无线电灯开关，它利用机械开关产生的能量向位于灯具上的接收器发送射频信号。

传统电池，例如纽扣电池、AA锂电池和锂亚硫酰氯电池，多年来一直用于需要长寿命的嵌入式系统中。薄膜电池的引入为系统设计人员提供了一种在成本、尺寸和安全性之间取得平衡的新选择。由于开发人员不断面临降低系统成本的压力，经济实惠的纽扣电池似乎是降低制造成本并快速将产品推向市场的最佳解决方案。然而，更换纽扣电池会产生隐藏成本。如果考虑到薄膜电池的总生命周期储能容量超过30个CR2032纽扣电池的容量，就会很快得出结论，与更换纽扣电池30次的成本相比，薄膜电池的初始成本微不足道，并且其寿命会远远超过嵌入式系统的生命周期。

在考虑电池尺寸时，薄膜电池是所有电池类型中厚度最小的（可薄至0.17毫米）。薄膜电池的总寿命容量相当于四节锂电池“AA”或一节锂亚硫酰氯电池“C”规格，使薄膜电池非常适合需要超薄外形和长电池寿命的空间受限嵌入式系统。

此外，薄膜电池不存在与较大的传统电池相关的安全隐患，例如易燃性和爆炸风险。由于薄膜电池是可充电的，它们在任何时候仅储存其总寿命容量的一部分，这使它们在发生意外短路或暴露于极端高温或明火时更加安全。薄膜电池还比较大的传统电池产生的废物显著更少，而传统电池通常会被丢弃到垃圾填埋场，而非被回收利用。

能量采集参考设计加速产品开发

功耗一直是影响电池供电的物联网设备运行的关键问题。支持无线标准的各个组织都致力于帮助满足消费者对降低这一领域设备功耗的期望。Zigbee Green Power 是在无线通信设计中考虑能量采集的一个绝佳范例。

Silicon Labs（芯科科技）与Arrow Electronics（艾睿电子）联合开发了一款基于Silicon Labs EFR32MG22系统级芯片（SoC）的能量采集参考设计。该设计将Zigbee Green Power（绿色电源）灯开关与能量采集电源管理相结合。MG22专为Zigbee协议设计，体积小巧，并具有先进的安全功能，是超低功耗终端设备的理想选择。Silicon Labs还提供了高能效的电源管理IC，例如EFP0111，以实现更好的电源管理能力。此外，Silicon Labs还提供微控制器（MCU）、无线入门套件以及Simplicity Studio —— 一个强大的开发和调试环境，帮助客户快速开发能量采集系统。

此设计的核心元件是能量收集发电机，并且该参考设计采用了 ZF 的单稳态发电模块。这是一个双向开关发电机，意味着在按下开关和释放开关时都会生成能量。开关内有一个具有两极的磁铁，当按压开关时，会产生一个磁场，该磁场穿过核心并回到另一极。随后，当用户释放开关时，磁场发生变化并以相反的方向穿过核心。这种变化的磁场会产生电流，这就是可以收集的能量。当按下或释放 ZF 发电机时，它会生成交流电压，系统可以利用这种机械能量点亮灯光。最终目标是在开关和灯具之间无需布线的情况下，实现灯光的开关控制。

为物联网设备供电是一项耗能密集的任务。通过创新无需电池为设备供电的新方法，可以简化开发过程，并有助于创造一个更清洁的环境。例如，使一个LED闪烁一次所需的能量就足以传输多个射频信号。低功耗硅设计与针对低功耗应用优化的网络相结合，将为电源管理的新纪元奠定基础，从而为制造商和消费者减少大量的成本和浪费。

高性能、低功耗电源管理解决方案

Silicon Labs推出了EFR32MG22 (MG22)系列SoC，这是一种优化的Zigbee解决方案，为智能家居传感器、照明控制以及建筑和工业自动化等物联网应用带来了行业领先的能源效率。

EFR32MG22 和 EFR32MG22E Zigbee SoC 解决方案是 Wireless Gecko Series 2 平台的一部分。MG22 系列提供了一种优化的 Zigbee SoC 解决方案，将高性能、低功耗的 76.8 MHz ARM® Cortex®-M33 核心与 TrustZone 集成在一起。MG22 可帮助您创建节能型应用，而 MG22E（“E”代表节能）通过延长电池寿命和支持完全无电池设计，进一步提升了节能优势。MG22 SoC 将超低发送和接收功耗（+6 dBm 时 8.2 mA 的 TX 功耗，3.9 mA 的 RX 功耗）、1.4 µA 的深度睡眠模式功耗以及低功耗外设相结合，为 Zigbee 协议应用（包括绿色电源）提供了业界领先的节能解决方案。

Silicon Labs 的 EFP0111GM20 能效友好型电源管理 IC (PMIC) 是一款灵活、高效的多输出电源管理 IC，为 EFR32 和 EFM32 设备提供完整的系统供电功能，具有三个输出电压轨及一次性电池库仑计数能力。EFP0111 提升型 Bootstrap PMIC 可在 1.7 至 5.2 伏的电压范围内运行，静态电流低至 150 nA。EFP0111GM20 支持从 1.5 至 5.5 伏的广泛电池范围，为不同的电池技术提供灵活性，同时提升 EFR32 和 EFM32 的电源效率。

Silicon Labs 的 Si10xx Sub-GHz 无线 MCU 将高性能无线连接技术与超低功耗微控制器处理能力相结合，采用紧凑的 5 x 6 mm 封装形式。这些器件支持从 142 MHz 到 1050 MHz 的频段，包括集成的高级数据包处理引擎以及高达 146 dB 的链路预算能力。通过降低发射（TX）、接收（RX）、活动和休眠模式的电流，并支持快速唤醒时间，这些器件优化了能源使用，从而减少了电池供电应用的能耗。Si106x MCU 与 Si108x 器件引脚兼容，并具有从 8 kB 到 64 kB 的可扩展闪存容量，以及强大的模拟和数字外设，包括 ADC、双比较器、定时器和 GPIO。所有器件均设计符合 802.15.4g 智能计量标准，并支持包括 FCC、ETSI 和 ARIB 规范在内的全球监管标准。

结论

能量收集技术已经变得相当流行，并且由于它在嵌入式系统设计中带来的诸多优势，预计在未来几年将更加广泛应用。一个设计合理的能量收集系统，一旦克服初始通电复位问题，就可以无限期地运行。通过精心的系统设计，能量收集系统的寿命可以延长至20年以上。由于其超薄外形和低漏电特性，薄膜电池在能量收集系统中被广泛使用。能够设计无需主电源或传统可更换电池的自给式嵌入式系统，拓宽了应用的可能性，并为嵌入式系统开发开辟了新领域。由Silicon Labs推出的MG22系列Zigbee SoC解决方案、EFP0111GM20节能电源管理IC以及Si10xx Sub-GHz无线MCU，能够为能量收集系统提供卓越的功耗控制，确保嵌入式系统在无需更换电池的情况下实现长期运行。