休眠能量收集设计：上电顺序管理

电路

本帖最后由 348081236 于 2016-2-25 15:35 编辑

从长期存储展开时的设计搭载环境能量面临独特的挑战。没有可用的能源储备，这些设计必须遵循谨慎序列单独的电路元件，特别是设备，如微控制器(MCU)，可以在初始化过程中表现出显著电力需求开机的。对于工程师，从“冷启动”成功电的MCU为基础的能源采集的设计成为与电压监控和专门能量采集装置的组合，从制造商包括Analog Devices公司，凌力尔特，美信集成的应用程序更容易，微芯片技术，Silicon Labs公司和德州仪器等等。

对于设计搭载环境来源，波动能量水平往往决定了使用能量储存装置，如可再充电电池或超级电容器通过能量的峰和谷，以维持额定功率的可用性。然而，用于从存储取或以其它方式离开无能量的时间过长源的能量采集设计，一些实用的能量存储设备将能够在这些时期，以保持足够的电荷以允许快速恢复电路的操作。因此，设计者将需要采用旨在确保电过程顺利地进行的策略。在许多情况下，简单地暴露休眠电路到其周围的电源将不足以可靠地恢复操作。事实上，作为动力水平开始上升，这些设计必须保证有足够的功率可支持高耗电设备，如MCU和无线收发器正确的初始化。

上电复位

对于一个线路供电的设计或一种绘图功率从一个高能量的光源，电路初始化的更精细的细节很少的问题。即使有足够的可用功率，然而，电路需要仔细排序，以确保所需的其它元素的块完全初始化并在使用前供电。在典型的基于MCU的设计，简单的上电复位IC，例如ADI公司ADM6711和ADM6713，Microchip的技术TCM809和德州仪器TLV803提供电源复位时序和电压监控的处理器(图1)。

图1：上电复位IC，例如ADI公司ADM6711和ADM6713提供简单的解决方案，电源排序的微控制器。该ADM6711拥有一个推挽输出，无需额外的外部元件，而ADM6713提供漏极开路输出，需要一个外部上拉电阻，并允许超过VCC连接电压等级。 (Analog Devices公司提供)

在此类装置通常监控电源电压，并提供上电，断电复位信号，并且每当电源电压下降到低于预设阈值。这些类型的设备典型地包括100内置的延迟 - 200毫秒产生复位信号，以允许电源电压给处理器重新启动之前稳定之前。凌力尔特的LTC2935扩展这些基本功能与附加功能，其中包括早期预警电源故障输出，当电源电压下降到略高于最终复位阈值的阈值的信号。事实上，工程师们可以找到各种各样的复杂的权力监督功能电压监控器集成电路。

对于设计，搭载低能量来源环境，但是，以确保可靠的电路激活从冷启动可能需要超越简单加电复位功能更为复杂的方法。例如，即使作为收获电路工作累积足够的能量，漏电流，或亚阈值电路的激活，复杂设备，诸如微控制器已经可以排水能力，增加以达到阈启动水平所需要的时间，或在最坏的情况下，防止它完全。

功率消耗

在微控制器，参与设备启动内部电路可以开始激活远低于电源接通的阈值，从而导致一个显著功率消耗甚至在这个早期阶段(图2)。在非采集应用，如果电源电压接通迅速，这个电流消耗仅登记在功率曲线昙花一现。在冷起动能量采集应用，然而，在电源电压可能上升很慢，这个电流可以成为显著，甚至排水能力比收获电路快可以从它的环境源提取能量。在这种最坏的情况，但是合理的情况下，系统可能不会到达功率阈值。

图2：即使在超低功耗MCU，内部电路看家开始吸取功率以及之前电源达到上电门槛 - 潜在地降低了能量收集设计的，从低能量环境资源的能力，以冷启动。这种电流分布显示了从Silicon Labs的小壁虎微控制器作为电源VDD接近电流测量。 (Silicon Labs公司提供)

此外，当电源达到上电阈值时，设计必须确保足够的能量可通过他们的功率初始化阶段并进入正常操作，以维持电路元件。复杂的设备，如MCU可表现出上电过程中比较高的电力需求。例如，当无动力的时间周期长，去耦电容器将完全放电。当电源电压被接通时，去耦电容将首先出现短路和电流的流动将仅由在电力线的电阻和电感的限制。

除了这些瞬态效应，MCU和其他复杂设备的初始化要求，可能会导致显著电力需求。例如，即使在编程上电复位立即进入睡眠模式时，Silicon Labs的小壁虎微控制器吸引约400毫安300微秒 - 由MCU所需的时间从电源复位过渡到它的能源模式1(EM1)睡眠状态(图3)。

2016-2-25 15:41:26

图3：MCU启动功率要求可以达到显著的水平，因为设备带来了外围设备，存储器，I / O缓冲器和处理器核心电路。在此测量启动过程中所需的功率时，Silicon Labs的小壁虎微控制器吸引了300微秒这种快速的处理器，需要从电源复位过渡到睡眠状态，EM1约4毫安。 (Silicon Labs公司提供)

为了防止MCU从能量存储设备之前排出采集的能量已经建立了足够的储备安全地电的MCU，一个开关可以收获电路和MCU之间插入。实际上，电路设计人员可以使用电压监控集成电路如上面提到的那些，以控制用于直到功率达到额定值的范围从供给轨脱开MCU中的逻辑电平选通MOSFET开关的栅极。

事实上，在能量收集设计成功电顺序临界功率在能量存储装置中累积取决于诸如可充电电池或超级电容器。因此，来自能量收集子系统输出功率通常是最重要的是施加到确保这些设备被充满电。对于这个功能，专门IC，如ADI公司ADP5090，凌特LTC3331，美信集成MAX17710和德州仪器BQ25570提供了有效的解决方案，结合能量收集功能，带有片上电路充电锂离子电池或超级电容器。

结论

把能量收集的设计从“冷启动”需要注意电压水平和积累的能量电流容量。如果没有MCU和其他设备大型开办功率要求认真电源排序，功率从环境能源可收获的启动顺序完成之前，甚至造成初创尝试和失败的重复周期被耗尽。使用可用上电复位，电压监视和储能充电器集成电路的组合，工程师可以确保其设计可靠完成相对复杂的通电序列而从即使是低能量的环境来源收获的能量。

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