無線物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 設(shè)備設(shè)計(jì)人員一直在尋找更好的方法來為這些設(shè)備供電，以減少消費(fèi)、商業(yè)或工業(yè)應(yīng)用中的停機(jī)時(shí)間。使用一次性電池時(shí)需要連續(xù)進(jìn)行電量監(jiān)測并定期進(jìn)行更換，更換后的廢舊電池還會(huì)面臨一個(gè)重要的處理問題。充電電池解決了處理問題，但需要拆下來充電，然后再安裝上去。

　　由于傳統(tǒng)方法的局限性，人們對利用環(huán)境能量為設(shè)備供電的能量收集技術(shù)的興趣越來越大。但收集能量和電池充電所需的電路會(huì)大大增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、尺寸和成本，這是設(shè)計(jì)人員不可回避的問題。

　　本文簡要介紹了在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中使用能量收集的情形，并概述了設(shè)計(jì)人員面臨的一些挑戰(zhàn)。然后，介紹了一種通過在微控制器 （MCU） 上集成能量收集和電池充電管理電路來克服這些挑戰(zhàn)的方法。文中將通過 Renesas 的實(shí)例器件解決方案和相關(guān)評估板，展示如何使用該方法有效消除物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對電池更換的需要。

　　為什么要將能量收集用于物聯(lián)網(wǎng)？

　　對于像低功耗無線傳感器系統(tǒng)這樣的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來說，能量收集是一個(gè)很有吸引力的解決方案，因它可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備全無線部署，幾乎不需要維護(hù)。通常情況下，這些設(shè)備仍然需要一個(gè)可充電電池或超級(jí)電容器來滿足峰值功率需求。

　　原則上，通過收集環(huán)境能量，系統(tǒng)可以采用較小的儲(chǔ)能裝置并延長其使用壽命。反過來，只要能量收集功能對設(shè)計(jì)的零件數(shù)增加不多，由此構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)就有可能打包到一個(gè)較小的封裝中。然而，在實(shí)踐中需要額外的組件來實(shí)現(xiàn)能量收集，這使得減少設(shè)計(jì)封裝的嘗試受挫。

　　其中問題是，能量收集電源通常需要單獨(dú)的設(shè)備來收集環(huán)境能量，并要確保像可充電電池或超級(jí)電容器這樣的儲(chǔ)能設(shè)備能夠正確充電。在由 MCU、傳感器和射頻 （RF） 收發(fā)器組成的已經(jīng)很簡約的無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加入這種額外的功能，可能會(huì)將一個(gè)簡單的、部件少的設(shè)計(jì)變成一個(gè)相對復(fù)雜的設(shè)計(jì)（圖 1）。

圖 1：在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中使用能量收集可以讓用戶擺脫電池維護(hù)的困擾，但增加的要求通常會(huì)導(dǎo)致設(shè)備越來越大，設(shè)計(jì)復(fù)雜度和成本越來越高；所有這些都與無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的要求相悖。（圖片來源：Renesas）

　　最大程度減少物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的組件數(shù)

　　到目前為止，能量收集所需的許多不同的組件均已被集成到專用模塊和電源管理集成電路 （PMIC） 中，如 Analog Devices 的 LTC3105/LTC3107、Cypress Semiconductor 的 S6AE101A、Matrix Industries 的 MCRY12-125Q-42DIT 等。這樣的裝置可從太陽能電池、熱電發(fā)電機(jī) （TEG）、壓電振動(dòng)傳感器或其它能量源提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓軌。因此，它們可以作為一個(gè)完整能量收集電源用于基本的物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)計(jì)。不過，設(shè)計(jì)人員還是需要突破極限，才能滿足應(yīng)用需求并保持或獲得競爭優(yōu)勢。

　　Renesas RE01 MCU 系列有助于實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，因?yàn)樗ㄟ^在器件中加入能量收集控制器 （EHC） 進(jìn)一步提升了集成度。事實(shí)上，RE01 MCU 可以使用其內(nèi)置的 EHC 為二次電池充電，同時(shí)為器件的其他部分提供系統(tǒng)電源。RE01 不僅僅是一個(gè)能量收集器件，其 EHC 還包括一個(gè) 64 兆赫 （MHz） Arm? Cortex?-M0+ 內(nèi)核、片上閃存、可信安全知識(shí)產(chǎn)權(quán) （TSIP） 塊、14 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）、定時(shí)器和多個(gè)外設(shè)接口（圖 2）。

圖 2：為簡化電池供電型設(shè)備設(shè)計(jì)而打造的 Renesas RE01 微控制器系列將一個(gè)完整的能量收集控制器與低功耗 Arm Cortex-M0+ 處理器內(nèi)核、片上閃存以及多個(gè)外設(shè)和接口結(jié)合在一起。（圖片來源：Renesas）

　　RE01 集成了全套相關(guān)外設(shè)功能，旨在簡化電池供電型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的實(shí)現(xiàn)。除了其用于傳感器集成的 ADC 和串行接口外，該器件還包括一個(gè)能夠驅(qū)動(dòng)多達(dá)三個(gè)電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路（圖 2 中的 “MTDV” 塊）；一個(gè)能夠驅(qū)動(dòng)三個(gè)外部發(fā)光二極管 （LED） 的恒流源；以及一個(gè)低速脈沖發(fā)生器 （LPG）。在顯示輸出方面，RE01 MCU 集成了一個(gè)用于二維 （2D） 圖像處理的圖形加速器，以及一個(gè)像素存儲(chǔ)器 （MIP） 液晶顯示器（LCD） 控制器。為了滿足實(shí)時(shí)控制的要求，MCU 還包括看門狗定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘 （RTC） 和保持時(shí)鐘精度的時(shí)鐘校正電路 （CCC）。針對軟件代碼和數(shù)據(jù)，RE01 系列推出了成員器件 R7F0E015D2CFP （RE01 1500KB） 和 R7F0E01182CFM （RE01 256KB），除結(jié)合了上述功能外，還包括了一定數(shù)量的存儲(chǔ)空間，前者帶 1500 千字節(jié)的閃存，后者帶 256 千字節(jié)的閃存。

　　RE01 MCU 不但功能強(qiáng)大，而且還提供了大量選擇，以便在性能和功耗之間找到所需的平衡。該 MCU 可以在多種工作模式下運(yùn)行，通過將工作頻率從最高 64 MHz 速率降低到 32.768 千赫茲 （kHz） 的低漏電流模式，從而最大限度地降低了功耗，同時(shí)正常工作模式下中間頻率為 32 MHz 或 2 MHz。在典型工作狀態(tài)下，R7F0E015D2CFP RE01 1500KB 通常僅消耗 35 微安/兆赫 （μA/MHz） 有功電流，在 1.62 伏的待機(jī)模式下僅消耗 500 納安 （nA） 電流。其 14 位 ADC 的耗電量僅為 4 微安，閃存編程重寫僅需約 0.6毫安 （mA）。為了給這些正常操作提供電源，RE01 MCU 的 EHC 集成了一套廣泛的功能，旨在簡化能量收集和電池管理的實(shí)現(xiàn)。

　　集成式能量收集控制器簡化了設(shè)計(jì)

　　得益于其集成的 EHC，RE01 MCU 讓能量收集的實(shí)現(xiàn)成為一個(gè)相當(dāng)常規(guī)的操作。開發(fā)人員只需將太陽能電池、TEG 或振動(dòng)傳感器等發(fā)電元件直接連接到 MCU 的 VSC_VCC 和 VSC_GND 引腳。當(dāng)環(huán)境能量充足時(shí)，EHC 就可以驅(qū)動(dòng) MCU 輸出引腳為二次電池 （VBAT_EHC）、儲(chǔ)能電容器 （VCC_SU） 或其他外部設(shè)備充電（圖 3）。

圖 3：Renesas RE01 MCU 的集成能量收集控制器讓開發(fā)人員可以快速利用能量收集的優(yōu)勢。（圖片來源：Renesas）

　　設(shè)計(jì)的簡潔性源于 RE01 微控制器內(nèi)包含的全套功能塊，如圖 4 所示。

圖 4：Renesas RE01 MCU 的集成能量收集控制器包括利用發(fā)電元件產(chǎn)生所需電壓輸出所需的所有功能。（圖片來源：Renesas）

　　除了其功能模塊外，EHC 還提供了多個(gè)電壓監(jiān)測電路以及多個(gè)狀態(tài)和控制寄存器，以協(xié)調(diào)電力傳輸。例如，發(fā)電元件狀態(tài)標(biāo)志 （ENOUT） 表示該元件是否在產(chǎn)生電流。相反，充電目標(biāo)監(jiān)測標(biāo)志 （CMPOUT） 表示充電電壓是施加在二次電池上還是施加在儲(chǔ)能電容器上。在 EHC 處理與啟動(dòng)、正常操作和電池耗盡相關(guān)的操作狀態(tài)時(shí)，這些功能中的每一個(gè)都發(fā)揮著作用（圖 5）。

圖 5：利用內(nèi)部電壓監(jiān)控器、狀態(tài)標(biāo)志和寄存器，Renesas RE01 MCU 的集成能量收集控制器支持從初始充電到耗盡的整個(gè)充電序列。（圖片來源：Renesas）

　　當(dāng)發(fā)電元件與該 MCU 連接后，EHC 就進(jìn)入初始充電期。在這里，EHC 讓電源流向 VCC_SU，為儲(chǔ)能電容器充電，直到 VCC_SU 上的電壓水平超過特定的閾值電壓水平 VCC_SU_H。此時(shí)，EHC 就會(huì)使用儲(chǔ)能電容器開始向系統(tǒng)域 VCC 供電。當(dāng) VCC 超過開機(jī)閾值電壓 （VPOR） 時(shí)，上電復(fù)位信號(hào)變?yōu)楦唠娖?，從而使器件從?fù)位中釋放出來，同時(shí)使 ENOUT 置為高電平，表明發(fā)電元件處于活動(dòng)狀態(tài)。

　　上電復(fù)位釋放后，EHC 的 VBAT_EHC 充電控制寄存器 VBATCTL 被置為 11b，允許器件開始對二次電池充電。事實(shí)上，在此期間，EHC 在二次電池和儲(chǔ)能電容器之間交替充電輸出，以維持電池充電時(shí)的 VCC 供電。當(dāng)儲(chǔ)能電容器電壓低于下閾值電壓水平 VCC_SU_L 時(shí)，EHC 將電源切換到 VCC_SU，直到其達(dá)到上閾值 VCC_SU_H 水平，此時(shí)恢復(fù)對二次電池的充電。這個(gè)過程一直持續(xù)到 VBAT_EHC 上的蓄電池電壓達(dá)到 VBAT 閾值，即 VBAT_CHG（圖 6）。

圖 6：即使在 Renesas RE01 MCU 的集成能量收集控制器 （EHC） 開始為器件的電池充電后，EHC 仍會(huì)繼續(xù)保持對存儲(chǔ)電容器的充電，同時(shí)儲(chǔ)能電容器則為 VCC 系統(tǒng)提供電源，直到電池完全充滿電。（圖片來源：Renesas）

　　電池充電后，QUICKMODE 位被置位，使 EHC 進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，EHC 繼續(xù)從發(fā)電元件對電池充電，同時(shí)從電池向 VCC 域供電。

　　如果環(huán)境能量下降，發(fā)電元件停止供電，EHC 則繼續(xù)從電池提供 VCC。最終，內(nèi)部電壓監(jiān)控器將檢測到 VBAT_EHC 已降至預(yù)設(shè)閾值 Vdet1 以下，QUICKMODE 位將被置零。一旦該位被置零，電源即會(huì)切斷 VCC 域，EHC 寄存器被初始化。VCC 進(jìn)一步降低到 VPOR 以下引起器件重置上電復(fù)位信號(hào)。為了恢復(fù)操作，器件必須相應(yīng)地在環(huán)境能量上升到足夠的水平后執(zhí)行初始充電序列。

　　評估套件有助于進(jìn)行快速原型設(shè)計(jì)

　　雖然 RE01 內(nèi)置的 EHC 不需要額外的組件，但要利用其功能，開發(fā)人員仍然需要對器件進(jìn)行配置，并執(zhí)行上述規(guī)定的一系列操作。為了幫助開發(fā)人員快速進(jìn)入 RE01 系列的快速原型設(shè)計(jì)和定制開發(fā)，Renesas 分別為 RE01 1500KB 和 RE01 256KB 提供了 RTK70E015DS00000BE 和 RTK70E0118S00000BJ 即用型評估套件。事實(shí)上，RE01 1500KB 套件提供的是一個(gè)交鑰匙式開發(fā)平臺(tái)，包括 RE01 1500KB MCU 板（圖 7）、一塊 LCD 擴(kuò)展板、一塊太陽能電池板和一根 USB 電纜。除了 RE01 MCU，該開發(fā)板還包括一個(gè)存儲(chǔ)超級(jí)電容器、一個(gè)接外部可充電電池的連接器、開關(guān)、LED、板載調(diào)試器和多個(gè)接口連接器（包括一個(gè) Arduino Uno 針座）。

圖 7：Renesas RE01 1500KB 評估套件包括一塊 RE01 1500KB MCU 板，帶有板載調(diào)試器和多種接口選項(xiàng)，旨在幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行評估、原型設(shè)計(jì)和定制開發(fā)。（圖片來源：Renesas）

　　除了評估套件中提供的硬件開發(fā)平臺(tái)，Renesas 還提供了全套軟件包，用于在 IAR Systems 的 Embedded Workbench 集成開發(fā)環(huán)境 （IDE） 或 Renesas 自己的 e2Studio IDE 下運(yùn)行。該軟件基于 Arm 的 Cortex 微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn) （CMSIS） 驅(qū)動(dòng)程序包構(gòu)建，使用了 Arm 處理器代碼開發(fā)人員所熟悉的軟件結(jié)構(gòu)。

　　也許最重要的是，Renesas 軟件包中的示例例程為定制軟件開發(fā)提供了可執(zhí)行的模板。例如，圖 5 中所示的 EHC 操作序列實(shí)現(xiàn)需要附帶一系列初始化程序，以便在諸如初始充電和二次電池充電等關(guān)鍵階段最大限度地降低功耗。隨示例軟件提供的啟動(dòng)例程則演示了這些初始化和設(shè)置程序的每個(gè)步驟。更貼心的是，Renesas 還為開發(fā)人員提供了一個(gè)清晰的路徑，讓他們在使用這個(gè)啟動(dòng)例程時(shí)可以根據(jù)需要改變參數(shù)，并將自己的軟件代碼插入到啟動(dòng)序列中（圖 8）。

圖 8：在 Renesas 軟件發(fā)行版中，包含了啟動(dòng) RE01 MCU 能量收集功能的示例代碼，這些代碼可展示每一個(gè)所需的步驟，同時(shí)突出顯示了開發(fā)人員可以修改參數(shù)或插入自己軟件代碼的地方。（圖片來源：Renesas）

　　利用 Renesas 評估套件和相關(guān)軟件包，開發(fā)人員可以快速探索 RE01 MCU 的不同工作模式，并評估能量收集方法。隨后就可以將這個(gè)環(huán)境作為一個(gè)有效的平臺(tái)，快速構(gòu)建自己的應(yīng)用原型并進(jìn)行定制開發(fā)。

　　結(jié)語

　　在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等低功耗系統(tǒng)中，能量收集為減小電池體積和延長電池壽命提供了有效的解決方案，但這種方法會(huì)大大增加整體設(shè)計(jì)的尺寸、復(fù)雜性和成本。因此我們需要采取更加一體化的辦法。

　　Renesas 的 MCU 系列在一個(gè)模塊中封裝了多個(gè)功能塊和外設(shè)，包括了完整的片上能量收集子系統(tǒng)，因此可以簡化能量收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。同時(shí)通過使用相關(guān)的開發(fā)板和軟件，開發(fā)人員可以快速進(jìn)行評估、原型制作和定制設(shè)計(jì)構(gòu)建，讓小型、低成本設(shè)備充分利用能量收集的優(yōu)勢。