微能量采集的大用途

1、“微”能量采集的“大”用途超大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)帶動(dòng)了對(duì)于傳感器應(yīng)用的巨大需求，這些無(wú)線傳感節(jié) 點(diǎn)（WSN）需要完成數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和傳輸。隨著IoT應(yīng)用遍地開花，越來(lái)越 多的WSN將投入使用。由此也產(chǎn)生了一系列問題：什么樣的WSN能夠滿足IoT 未來(lái)的發(fā)展需求？在強(qiáng)調(diào)節(jié)能環(huán)保的今天，如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗運(yùn)行？WSN帶動(dòng)微能量采集技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用根據(jù)On World 2014年的市場(chǎng)調(diào)查，WSN器件將從2015年的50億個(gè)增長(zhǎng)到 2020年的500億個(gè)以上。它們與互聯(lián)網(wǎng)上的服務(wù)器進(jìn)行通信，它們負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)樓 宇、設(shè)備或環(huán)境狀態(tài)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳，在整個(gè)IoT應(yīng)用中的作用舉足輕重。 那么，何謂成功的WS

2、N系統(tǒng)？首先要解決供電問題。采用電力線供電成本昂貴，且隨著WSN節(jié)點(diǎn)的增多， 鋪設(shè)太多的線路也變得不切實(shí)際；如果采用電池供電，就需要定期更換電池，人 工成本很高，且在很多應(yīng)用場(chǎng)合，電池供電也存在一定的安全隱患?；谶@兩方面限制，有些設(shè)計(jì)開始采用光伏板為WSN供電，從而實(shí)現(xiàn)低功耗 的能量收集系統(tǒng)（EHS）。但是，有些WSN的設(shè)置場(chǎng)所有尺寸限制，制約了光伏 板面積和輸出功率；而有些WSN的設(shè)置地點(diǎn)得不到足夠的光能，因此制約了向 EHS負(fù)載的供電功率以及能量收集PMIC的啟動(dòng)。正是這兩方面限制因素，使得微能量采集技術(shù)煥發(fā)出了全新的魅力，它可以 使WSN具備自我供電能力，且能被安置在任何地方場(chǎng)所，壽命

3、長(zhǎng)達(dá)十年以上，能 夠保證部署和維護(hù)成本的最小化。如何設(shè)計(jì)一款優(yōu)秀的能量收集供電WSN ?設(shè)計(jì)一款優(yōu)秀的能量收集供電WSN面臨哪些技術(shù)挑戰(zhàn)？它需要高度的模擬 技術(shù)，昂貴的低靜態(tài)電流模擬芯片，并且需要非常仔細(xì)地設(shè)計(jì)能量收集、轉(zhuǎn)換以 及存儲(chǔ)，計(jì)算隨時(shí)變化的EHS負(fù)載，要求靈活的低功耗芯片去執(zhí)行EHS負(fù)載的傳 感、處理以及通信功能。賽普拉斯（Cypress）半導(dǎo)體最近推出了一系列單芯片能量收集電源管理集 成電路（PMIC），可用于IoT中太陽(yáng)能供電的微小無(wú)線傳感器。新器件號(hào)稱具有 全球最低的功耗，可使用面積僅有1cm2的太陽(yáng)能電池板。同時(shí)推出的還有一款49美元的開發(fā)套件，其中包括了一個(gè)用于低功耗藍(lán)牙

4、連接的EZ-BLE PRoC模塊，從而為這一新系列中的S6AE101A PMIC配套提供了完 整的免電池能量收集解決方案。Cypress通過將光伏板、S6AE101A PMIC以及 EZ-BLE PRoC三層疊加的形式，實(shí)現(xiàn)了 1cm2光伏板供電的WSN樣機(jī)。據(jù)Cypress資深市場(chǎng)工程師李冬冬介紹，WSN的布設(shè)可能會(huì)有尺寸及 可獲 得的光能量限制，因而對(duì)太陽(yáng)能模塊的尺寸和功率輸出以及能量收集PMIC的啟 動(dòng)功耗有所限制。Cypress最新的能量收集PMIC器件成功地應(yīng)對(duì)了這些挑戰(zhàn)， 其啟動(dòng)功耗僅為1.2uW，比最強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)方案低4倍，并且工作電流可低至250nA， 從而將目標(biāo)應(yīng)用中用于傳感、處

5、理和通訊功能的功率最大化。完全通過認(rèn)證的小 尺寸EZ-BLE PRoC模塊基于Cypress的PRoC可編程片上射頻解決方案，可配合 PMIC器件，共同構(gòu)成低功耗、易用型能量收集系統(tǒng)解決方案。箏事型光伏糧，1WQ ux（Ik）1使用Wtfti斯59山E 21A能置收樣 FMIC方案.撤成用伏振岬 加N樣機(jī)S6AE101A單芯片能量此賣PMIC1 cmS6AE101A能量收集PMIC目前處于樣片階段，計(jì)劃今年第四季度實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。 此外，結(jié)合Cypress在線的仿真工具Easy DesignSim，可以驗(yàn)證能量收集系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)，它可提供材料清單、電路圖和目標(biāo)應(yīng)用中感應(yīng)、處理、通訊功能所消耗 的功耗。

6、這款仿真工具能夠快捷地將收集到的能量與系統(tǒng)所需的能量進(jìn)行驗(yàn)證，甚至根據(jù)設(shè)計(jì)好的電路跑一個(gè)原理圖，就可以進(jìn)行打板，堪稱省時(shí)、省力。Easy國(guó)辿閣inmisit工畦毗優(yōu)板供電EHS設(shè)汁2監(jiān)入蓄電電官清艮PMIC的甥入度出電在3.輸入EHS黃瓠每一氐1的 平均弓流；rrA)和時(shí)向 (ms)RwiullaTHkpEfwnr T4n toifMJt r ma心g BeHhJPm#TH Enom* F HroiStqiTWw2dii iMap|Lh Cf&IMI W d:McpTWm撲倡 jfk鼻Fuwbwiri fttfbtl FimiyikMn ruw1M m E事 l.fiikimmi-l-wiEi

7、arvwiA3JJ-mL*FLHA ch ibJijvtti nHib 3U，J JUiimJjT onT舟-HLEi? WlJ4.確認(rèn)j吉史：!如果Syslem lijndionai Jnitial Pass! 顯示OK,井且重,謹(jǐn) 憎次妝詁到設(shè)定值，則 EH2可正掌工作5.點(diǎn)擊.CiutpW 物ItageHot插皇舸認(rèn)PMIC牧愉出人于系玲變來(lái)的至于具備哪些特征才能稱得上是一款優(yōu)秀的能量收集方案？李冬冬表示：“將系統(tǒng)運(yùn)行的功耗降到足夠低的程度，能夠充分利用能量采集維持運(yùn)轉(zhuǎn)，簡(jiǎn)單、 易于設(shè)計(jì)，且具備十年以上的運(yùn)行壽命，這樣才是一款有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品Cypress 最新的芯片具備低功耗、高集成度的

8、特征，結(jié)合低功耗藍(lán)牙連接的EZ-BLE PRoC模塊以及在線設(shè)計(jì)工具能夠滿足上述需求?！蹦芰坎杉疨MIC如何實(shí)現(xiàn)低功耗,高集成度？如前所述，Cypress最新的能量采集PMIC在靜態(tài)電流、啟動(dòng)功率方面都優(yōu) 于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，實(shí)現(xiàn)了超低的功耗，并具備極高的集成度。據(jù)李冬冬介紹，Cypress自2012年進(jìn)入能量采集市場(chǎng)后，一直在不斷優(yōu)化產(chǎn)品架構(gòu)和性能。以最新的S6AE101A為例，Cypress突破性地集成了電力門控 開關(guān)和多路復(fù)用。這主要因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)對(duì)手是通過DC/DC的方式來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的，而 Cypress卻采用了線性的芯片架構(gòu)，因此更容易進(jìn)行集成。他進(jìn)一步解釋，考 慮太陽(yáng)能的特性，太陽(yáng)能面板的輸出值雖

9、然變化，但變化很微弱，并不需要DC/DC 整流，因此可用線性的多路開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣帶來(lái)的好處是更易于集成、成本 更低。傳統(tǒng)方案中，負(fù)載傳感器、RF都不是完全關(guān)斷的，而即使是休眠狀態(tài)也在 消耗能量。在能量采集方案中，由于收集到的能量本身就很微弱，因此需要非 常細(xì)致地進(jìn)行優(yōu)化，將不工作的傳感器和RF關(guān)斷，只有在能量存儲(chǔ)到一定過程 中再將它們啟動(dòng)。這個(gè)過程可通過MOS管進(jìn)行控制，通過 比較器來(lái)判定啟動(dòng)值， 將這兩部分集成可以使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)化。這款PMIC芯片可用于太陽(yáng)能與電池 結(jié)合的方案中，其內(nèi)部已經(jīng)做好了時(shí)序控制電路，支持多路復(fù)用。能量采集供電WSN未來(lái)有哪些應(yīng)用場(chǎng)景？借助能量采集供電的傳感器以

10、及其周圍的IoT網(wǎng)絡(luò)，可以在任何地方安裝傳 感器來(lái)進(jìn)行全方位監(jiān)視，目前主要的應(yīng)用場(chǎng)景包括智能樓宇、智能家居以及工廠自動(dòng)化。用途則五花八門，可以監(jiān)控家庭溫濕度變化，根據(jù)室內(nèi)環(huán)境判斷什么 時(shí)候開燈；或是進(jìn)行道路、橋梁、鐵軌的檢測(cè)，來(lái)保證行車安全；或是用于工 廠中的安全監(jiān)控，傳統(tǒng)上都是人工測(cè)量溫度、粉塵等參數(shù)，現(xiàn)在可以通過傳感器 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)偵測(cè)，避 免安全隱患；或是醫(yī)療應(yīng)用中，為植入式電子設(shè)備提供能量。工廠自函【必世浙時(shí)5宓迥工I的排韭UIH宅后晝事呵引，ie監(jiān)匙童at.找既，柱宅扯*Cypress自2013年推出第一顆能量收集PMIC以來(lái)，目前產(chǎn)品線已擴(kuò)展至包 括光能、動(dòng)能、熱能在內(nèi)的多系列產(chǎn)品。在

11、日本也有了成功的應(yīng)用案例：在東京 機(jī)場(chǎng)、大阪機(jī)場(chǎng)的500個(gè)WSN中，為旅客推送航班信息；用于千葉市永旺購(gòu)物 中心的100個(gè)WSN中，為顧客推送購(gòu)物信息。李冬冬表示，IoT其實(shí)并 不像想象中的那么遙遠(yuǎn)，已經(jīng)從很多方面切實(shí)地 走進(jìn)了我們的生活中。以前很多行業(yè)還只處于搭建基礎(chǔ)設(shè)施的階段，但是下一步 都需要添加IoT應(yīng)用。中國(guó)正處于IoT大發(fā)展的時(shí)代，順應(yīng)這個(gè)趨勢(shì)，能量采 集恰好處于合適的時(shí)間點(diǎn)，并且會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)IoT市場(chǎng)的發(fā)展。嘩*更罪也牲ITEGJ早冊(cè)更7掘醞直迎再m場(chǎng)朝由于目前太陽(yáng)能采集技術(shù)應(yīng)用較多，因此Cypress最新推出的S6AE101A/102A/103A都是配合太陽(yáng)能能量收集的PMIC產(chǎn)品。這三款產(chǎn)品屬 于 同一個(gè)家族，它們針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了功能區(qū)分：其中101A用于可穿戴 設(shè)備和住宅，功耗最低、功能較為簡(jiǎn)單；102A增加了 LDO,可用于樓宇中更為 精準(zhǔn)的傳感器中；103A在102A的基礎(chǔ)上又增加了定時(shí)器功能，支持更復(fù)雜的判 定場(chǎng)景。如果一個(gè)傳感器僅僅能夠采集大量的數(shù)據(jù)而無(wú)法將這些數(shù)據(jù)或基于數(shù)據(jù)所 做的決策傳輸出去，這樣的傳感器是毫無(wú)意義的。那么，對(duì)于下一代IoT應(yīng)用來(lái) 說(shuō)，什