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超低功耗技術推動免電池IoT感知
 

【作者: 安森美半導體】   2019年09月18日 星期三

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若要物聯網充分發揮潛力和實現更智慧的地球,需要免電池、免維護的端點。


隨著更易於獲得強大的分析,對於感測器資料的需求也在增長;思科(Cisco)早期預測的在2020年有500億互聯的「物」似乎不再是妄想。如此龐大數量的設備中,如果有一半單使用原電池供電,那麼成本和環境負擔-以及更換它們所涉及的管理挑戰-可能會使物聯網(IoT)難以為繼。


由擷取的能量供電的免電池智慧感測器技術已受關注一段時間。能量擷取技術的最新進展,再加上新的超低功耗積體電路(IC)、感測器和無線電技術如藍牙低功耗技術,使能量擷取現在變得更加實用、高效、實惠,且更易於以緊湊、可靠的形式實施。


滿足更低的能源預算

考慮一個智慧感測器用於定期捕獲和傳輸環境資料。通過分析完成每個感知傳輸週期所需的能量和所需的重複間隔,可以瞭解無電池運行的條件。如果系統能夠擷取足以在所需的占空比運行的能量,可長期免電池運行。


所需能量取決於系統功率和捕獲、傳輸資料的時間。為了最大限度地減少這些需求,藍牙低功耗協定和類似協定如ZigBee Green Power經優化以實現短幀持續時間和低傳輸功率,同時確保足夠的安全性。


使用這任一協定,可在約10ms(或更短時間)內發送完整的感測器資料幀。如果感測器節點子系統可以1V、10mA可靠地執行,則可由以下公式計算所需的合適能量預算:


1V x 10 mA x 10 ms = 100 μJ /每次運行


這提出一些需要考慮的初步目標。假設感知、處理和無線電子系統可在接近1V的電壓下工作,所需總能量預算為100 μJ。能量擷取子系統必須捕獲足夠的能量,以便在需要時至少有100 μJ可用於運行電路。唯一的限制是使這能量達到目標占空比。如果占空比在1到10秒之間,增益因數對於擷取器源來說相當大,但不是不可能的。例如,標準的1或2平方英寸太陽能電池以低至4%的轉換能量能夠解決這一挑戰。


為了滿足這些要求,系統設計需要從使用極低功耗感測器開始。基於最新MEMS技術的感測器可滿足這些要求,通過結合先進的機械設計和高性能整合提供超低功耗。其中,Bosch的BME280環境感測器在一個低功耗的一體式器件中整合壓力、溫度和濕度感測器。


此外,BMA400是三軸加速度計,提供真正的超低功耗工作而不犧牲性能。結合這些器件,可創建一個極低功耗的多感測器平台,並增加慣性感測,用於氣候控制、過程監控、資產跟蹤或入侵偵測等應用。


系統級封裝(SiP)整合

為解決處理和無線電子系統中的挑戰,安森美半導體將一系列超低功耗技術結合用於RSL10系統級封裝(RSL 10 SIP)。RSL10 SIP含無線電系統單晶片(SoC)、整合的天線、整合的電源管理和所需的所有無源器件。


RSL10 SIP功耗極低,深睡眠模式為62.5nW,接收模式為7mW,支援低至1.1V電源電壓,並具有整合的Flash和RAM功能。同時,它支持空中固件(FOTA)升級,帶記憶體保護,並通過了全球監管標準認證,包括獲得CE和美國FCC認證。


現在,結合RSL10 SIP、超低功耗BME280感測器、BMA400感測器及安森美半導體的NCT203數字溫度計和警報器,成就了RSL10太陽能電池多感測器平台(圖一)。


該可立即使用的免電池感測器節點連接到集線器如閘道或使用藍牙低功耗的智慧型手機,並配有原始程式碼、電路圖和Gerber檔以支援自訂。



圖一 : RSL10太陽能電池多感測器平台已準備好連接太陽能電池板,並通過藍牙低功耗傳輸感測器資料。
圖一 : RSL10太陽能電池多感測器平台已準備好連接太陽能電池板,並通過藍牙低功耗傳輸感測器資料。

RSL10太陽能電池多感測器平台能量擷取

用於RSL10多感測器平台的超低功率技術組合可在少於10ms內捕獲和傳輸環境及慣性資料,平均消耗約10mA的電流。為使其切實可行,能量擷取子系統僅需在以適當的占空比工作時提供足夠的能量。


由於從周圍能源如太陽能擷取能量的速度通常較低,一種方法是實現與系統能量需求有關的所謂增益因數。例如,累積能量一秒鐘,且感測器工作10毫秒,就會產生100倍的增益。擷取10秒,且感知/傳輸5毫秒,會產生2000倍的增益。


向RSL10太陽能電池多感測器平台供電使其每秒進行一次10ms協議傳輸,能量擷取增益因數約100。在傳輸之間連續擷取10秒,增益將為1000。基於這些數位,太陽能擷取器需要提供10mA/100=100μA或10mA/1000=10μA的電流源,分別以1秒或10秒間隔發送。此資訊有助於選擇合適的太陽能模組來為RSL10太陽能電池多感測器平台供電。然後,可以使用設置在板上的雙埠連接器來連接。


Ribes Tech FlexRB-25-7030太陽能模組幾乎完全滿足要求,在200勒克斯(lux) 下提供16μA或1000lux 下提供80μA,這足以執行10毫秒的資料傳輸,最大速率約每秒一次(圖二)。200 lux是北歐冬季午後多雲的天氣下典型的室內自然光強度。明亮的陽光、額外的人造光源,或在戶外或在窗戶邊,光照可增加幾百lux。



圖二 : 採用一個商用太陽能電池板演示RSL10太陽能電池多感測器,該太陽能電池板能在200 lux下提供16 μA。
圖二 : 採用一個商用太陽能電池板演示RSL10太陽能電池多感測器,該太陽能電池板能在200 lux下提供16 μA。

擷取的環境能量通常儲存在電容器或可充電電池中,這取決於應用需求。電容器能量密度較低,在設定的體積內儲存的能量比電池少(圖三)。因此,當沒有所需的環境光時,在必須長時間保持活躍的太陽能供電應用中,二次電池可能是首選。



圖三 : 對比儲能電池和電容技術
圖三 : 對比儲能電池和電容技術

任何儲能選擇還應考慮控制充放電的佈局。電池需要防止過度充電和過度放電,這可能需要一個開關調節器,並引入額外的IC和外部器件。另一方面,具有適當額定電壓的電容器不需要充電電路或保護器件。但在每種情況下,都需要輸出穩壓。


RSL10感測器平台具有低高度、47μF儲存電容器,並且使用安森美半導體簡單的低壓降線性穩壓器(LDO)NCP170調節電壓,具有超低靜態電流,有助於最大限度地減少擷取的寶貴能量的洩漏。此外,板載器件可選低的最小輸入電壓或寬的電源電壓範圍,以支援簡單的調節機制。


儲存電容器可部署在環境照明強烈且預期不會長時間黑暗處。在這種情境下,可連續運行。該模組預快閃記憶體緊密相聯的信標固件,以廣播感測器資料和系統狀態資料如電容器電壓電平,利用藍牙5的信標模式。此固件與iOS或Android BLE Scanner應用程式相容。


總結

典型的嵌入式系統功率需求與擷取系統所提供的能量之間的差距正在縮小。擷取技術現在捕獲環境能量更高效,這得益於不斷開發超低功耗的半導體技術和高效的無線傳輸協議如藍牙低功耗,使真正免電池的IoT端點切實可行。交鑰匙的RSL10太陽能電池多感測器平台顯示,免電池感測器現已準備好用於廣泛的IoT部署。


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