在能量收集应用平滑的峰值功率要求

电路

应用如无线传感器可以表现出峰值功率需求超过瞬时能量水平可从环境来源。结合低功耗设计技术和节能系统的设计方法，工程师可以平滑的峰值功率要求的管理水平。当这些技术和方法，采用超低功耗集成电路和高效的能源存储设备，工程师可以利用环境能量甚至无线应用的传统上被认为过于耗电能量收集解决方案。

正如任何低功耗应用，设计师需要坚持一般考虑低功耗设计，选用超低功耗元件和低压集成电路以减少电流消耗。环境驱动的无线应用满足高峰电力需求的挑战往往需要额外的系统级考虑设计匹配设计功能更精确的应用要求。

例如，在无线应用中，无线电业务经常出现最大的能量流失。事实上，无线应用程序通常显示通信功能支配其他耗电的系统状态的功率曲线。一种无线传感器系统，图1显示了在功率相对画作为系统通过不同的运行状态，包括：传感器数据转换（A和B），数据处理（C），振荡器启动/稳定芯片准备（D和E），数据信息准备发送（F），锁相环校准（G），RX确定清晰频道（H）、RX TX模式开关（I），TX发送数据（J），并切换到无线单片机的低功耗模式（K）。

图1：在无线传感器的应用，无线电业务（H，I，J）通常是占主导地位的功耗状态，经常呈现的峰值功率要求，可以从低能环境来源超过瞬时能量（德州仪器提供）。

无线电业务

作为最大的电力消费者，无线电业务站在了一个明显的机会，顺利的峰值功率要求，从环境资源更好的匹配可用的能量。例如，工程师往往可以限制广播功率匹配在远距离通信的应用需求。对于需要长距离通信应用，设计者可以使用较低的频率操作，减少所需要的射频功率，在Friis方程显示自由空间传播：

[tr]在一个给定的发射功率级，使用频率较低，导致更高的接收功率在给定的距离。此外，使用尽可能高的灵敏度接收机将有助于确保低功率发射机通讯误码率低。

[tr]同样重要的是，正确配置的天线会接收能量和发射能量最大化优化。除了这些设计因素，甚至简单的物理定位的无线设备可以通过减少障碍，反射损耗提高低功率无线电信号和多径衰落。较低的错误率，工程师可以依靠低功率无线电可靠地满足通信要求。

[tr]通信协议

[tr]即使有一个优化的无线电设计，设计师可以进一步注意数据通信的自然减少电力消耗。设计人员可以大大减少系统在接收或发送模式的时间降低峰值功率要求，发送要求尽可能少地在应用程序的约束的最小数据量。

[tr]工程师可以减少时间花费在收发模式采用短数据包。减少数据包的大小不仅意味着传输数据所需的最小量，也决定了使用通信协议用最少的通信开销。

[tr]为了进一步减少无线电操作期间，工程师也可以选择更高的数据速率，但是这种方法提出了无线系统设计人员进一步权衡考虑：更高的数据速率，需要更大的发射功率来减少错误率，这可能会导致更短的更高功率操作，消除任何储蓄平均功率。此外，更高的数据速率，可能需要使用更复杂的技术，如扩频通信。这些信号的方法又需要更高频率的操作，需要更多的力量来战胜缩小范围的高频通信相关。

[tr]工程师们也可以减少花费在收发模式通过减少通信活动的周期时间。如应用相对缓慢变化的数据传感器，较不频繁的数据传输是可以接受的。相反，设计师可以将无线传感器允许运作自由以最大转速的脸显着更大的功率要求。

待机模式

[tr]在实现更友好的通信设计，工程师可以发现，他们只是把功耗最重的时期，其他的操作状态。例如，如果设计师减少数据包的最小尺寸，锁相环的启动和校准可以成为占主导地位的电力消费。

[tr]事实上，即使无线电操作减少到最低限度，从低能环境来源的准备，电力供应仍然是个问题。在低占空比无线电业务，设备休眠状态继续消耗功率，甚至在极端情况下的主导力量的消费者。对于这些应用，设计师需要向MCU，不仅功能超低功耗待机模式，但也表现出过渡时间很快从待机模式主动模式。每一微秒在过渡不利于应用在越来越多的功耗结果作为设备上升到正常运行（图2）。
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图2：在无线传感器设计一个典型的单片机的功率曲线通常显示浪费能源，在唤醒状态从低功耗模式，只有它的实时时钟（RTC）过渡期间主动向其充分活跃状态

先进的微控制器等Silicon Labs32efm32系列，微芯片技术的16位PIC24F系列，和德州仪器”16位msp430f2xx系列的典型特征1到2µ的唤醒时间从待机状态取决于工作频率。这些设备通常提供多种功率模式，使设计人员能够用较高的待机功耗，更快的过渡到主动模式。

储能

即使是最精心的低功耗设计原理和通信效率，环境能源仍然不能满足峰值功率需求提供足够的瞬时功率。因此，环境驱动的应用程序通常需要积累足够的能量和维持超低渗储能力。这些设计，工程师可以把各种储能装置包括薄膜电池或超级电容器。

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短周期的应用，具有很高的峰值功率要求，超级电容器的快速充放电提供了一个有效的解决方案的能力（图3）。长周期的应用，薄膜电池的典型表现出低自放电率，使它们特别适合扩展业务。

图3：超级电容器的特点快速充电（左）和放电（右）的特性，使它们特别适合于平滑的峰值功率需求

通常情况下，设计师需要考虑不同电压等级的电压调节器保证储能装置正确充电。如集成器件Cymbet CBC3150一个固态电池与电源管理电路结合起来（图4）。集成电荷泵采用外部电容从低压输入源的双电压输出。工程师可以暂时禁用电源管理功能，进一步降低功耗。

图4：将Cymbet CBC3150的集成电源管理功能与薄膜的储能装置简化能量收集设计实现

[tr]结论

[tr]无线应用中表现出的峰值功率要求，竭力立即从环境能源。采用低功耗设计技术，高效的通信协议，和低功耗的集成电路，工程师可以平滑的峰值功率的要求，使连续运行，即使从弱环境来源。系统设计人员可以使用MCU能高效运作，在低功耗状态，能量存储设备实现无线应用低能环境的源动力相结合。