對于其中的許多貨物，其中包含的產(chǎn)品對溫度和沖擊等環(huán)境條件很敏感，如果在運(yùn)輸過程中不小心管理，這通常會成為一個問題。鮮花、果蔬、藥品等產(chǎn)品每天都在大量運(yùn)輸，但每批貨物都需要小心處理，確保它們不會受到物理損壞，并保持在最佳的儲存和運(yùn)輸條件下.如果在運(yùn)輸過程中沒有以這種方式維護(hù)它們，它們可能無法以適合最終客戶使用的狀態(tài)到達(dá)最終交貨點(diǎn)。對于某些物品（例如藥品），它們可能會變得危險，或者至少無效。疫苗是此類物品的完美示例，因?yàn)樗鼈儽仨氁哉_的方式處理并始終保持在正確的環(huán)境條件下，以避免潛在的嚴(yán)重醫(yī)療后果。

新一代智能產(chǎn)品，能夠跟蹤這些包裹并持續(xù)監(jiān)控它們的處理方式和運(yùn)輸過程中的當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件，已經(jīng)圍繞提供詳細(xì)的運(yùn)輸審計跟蹤需求而發(fā)展起來。

今天，這種跟蹤產(chǎn)品通常由電池供電，能夠測量溫度和加速度等參數(shù)。有些甚至可以在運(yùn)輸過程中跟蹤 GPS 位置，并在產(chǎn)品交付后存儲信息以備將來檢查。確保它們不會以任何方式被篡改或被低成本復(fù)制品取代也很重要，尤其是在更有價值的貨物的情況下。

然而，這些跟蹤器并非沒有問題，尤其是在電池技術(shù)的使用方面。由于電池可能過熱，運(yùn)輸包含電池的產(chǎn)品變得越來越困難，尤其是通過空運(yùn)。使用電池還意味著必須在每次裝運(yùn)前為電池充電，以確保設(shè)備能夠在整個裝運(yùn)過程中運(yùn)行——從初始裝運(yùn)到最終交貨。發(fā)貨的發(fā)起人有責(zé)任確保設(shè)備充電，這個過程總是容易出現(xiàn)人為錯誤。

在這些情況下，可以在運(yùn)輸過程中從環(huán)境中提供能量的設(shè)備，可能避免設(shè)備包含電池的需要，可以提供理想的解決方案。

讓我們更詳細(xì)地看看如何解決一個典型的問題——在這種情況下，是醫(yī)藥產(chǎn)品在世界各地的可靠運(yùn)輸問題。為了了解問題的嚴(yán)重程度，歐洲各地的醫(yī)生每年都會開出價值數(shù)百萬歐元的藥物。僅在德國，2017 年就向患者分發(fā)了價值超過 400 億歐元的藥物，由此產(chǎn)生的運(yùn)輸成本使年度總賬單增加了數(shù)十億歐元。目前估計，這些產(chǎn)品在全球范圍內(nèi)安全運(yùn)輸?shù)目偝杀驹?70 至 800 億美元之間。

有了這樣的成本，我們需要確保每件產(chǎn)品都安全高效地交付給最終用戶，并且在運(yùn)輸過程中沒有遭受任何降級或被其他產(chǎn)品取代。

使用能量收集為此類運(yùn)輸監(jiān)控應(yīng)用提供動力的智能解決方案現(xiàn)在可以通過新一代先進(jìn)的低功耗嵌入式控制器實(shí)現(xiàn)。這些基于瑞薩電子的新型薄埋氧化硅 (SOTB) 工藝技術(shù)。與使用傳統(tǒng)體硅技術(shù)的器件相比，基于 SOTB 工藝的器件的活動和待機(jī)功耗顯著降低。SOTB 允許開發(fā)極低功耗的智能設(shè)備，非常適合在運(yùn)輸過程中連續(xù)監(jiān)測溫度和加速度等參數(shù)。這些器件可以為本地處理和用于應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)存儲的大型片上存儲器提供高處理性能。這允許內(nèi)存包含復(fù)雜的應(yīng)用程序和協(xié)議棧，同時為記錄的信息提供非易失性數(shù)據(jù)存儲。這一切都可以在使用從環(huán)境中收集的能量運(yùn)行時實(shí)現(xiàn)，無需電池。

圖 2：SOTB 特性與其他工藝幾何結(jié)構(gòu)的比較

在這個新工藝上實(shí)現(xiàn)的第一個嵌入式控制器是新的 RE01。該器件可實(shí)現(xiàn)約 20 μA/MHz 的有功功耗，工作頻率高達(dá) 32 MHz，在深度待機(jī)模式下漏電流低至 150 nA。這些數(shù)字對于具有 1.5 MB 片上閃存和 256 KB 片上 SRAM 的設(shè)備來說是無與倫比的。

讓我們詳細(xì)了解一下這項新技術(shù)，以及它如何幫助我們實(shí)現(xiàn)適合這些 PMA 應(yīng)用的設(shè)備。該技術(shù)開發(fā)的突破在于能夠創(chuàng)建混合硅結(jié)構(gòu)，將新 SOTB 工藝的優(yōu)勢與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體硅技術(shù)的優(yōu)勢相結(jié)合。我們可以在芯片設(shè)計中需要超低功耗的部分使用新的 SOTB 技術(shù)。但是，我們?nèi)匀豢梢詫?biāo)準(zhǔn)硅用于 I/O 環(huán)和模擬組件以及嵌入式閃存等功能。因此，這些設(shè)備仍然具有與當(dāng)今現(xiàn)有微控制器相似的電氣特性。

圖 3：SOTB 柵極結(jié)構(gòu)

圖 3 顯示了 SOTB 柵極結(jié)構(gòu)的一些優(yōu)勢。在傳統(tǒng)的體硅柵極設(shè)計中，我們在制造過程中將摻雜原子注入硅中，這使得柵極能夠在需要時導(dǎo)通。注入每個柵極的原子數(shù)量極難準(zhǔn)確控制，因此柵極開關(guān)特性可能會發(fā)生變化，尤其是對于較小的硅幾何形狀。

SOTB 是一種無摻雜設(shè)計，其中柵極特性由柵極內(nèi)極薄的隔離層控制，其本身受到極好的控制。這意味著每個柵極之間的差異遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的體硅柵極設(shè)計。SOTB 器件上柵極之間變化的減少使我們能夠大大降低工作電壓，從而降低用于切換柵極的能量。其結(jié)果是，與采用傳統(tǒng)體硅工藝實(shí)現(xiàn)的器件相比，采用 SOTB 工藝實(shí)現(xiàn)的器件的有源功耗極低。

圖 3 還說明了 SOTB 技術(shù)的另一個好處。我們可以對每個柵極施加負(fù)反向偏置電壓，從而可以操縱每個柵極的開關(guān)閾值。這大大減少了每個柵極的泄漏，從而降低了待機(jī)電流。

新的 RE01 結(jié)合了運(yùn)行頻率高達(dá) 64 MHz 的 Cortex M0+ 內(nèi)核與高度的外設(shè)集成、高達(dá) 1.5 MB 的閃存和 256 KB 的片上 SRAM。圖 5 顯示了該設(shè)備的框圖。RE01 還實(shí)現(xiàn)了用于低功耗本地顯示的 MiPs LCD 接口以及其他有用的功能，例如 USB 接口和非常特殊的超低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。每個設(shè)備還包括一個能量收集控制器 (EHC)，以幫助管理各種收集的電源。

圖 4：第一個使用 SOTB 工藝的微控制器

ADC 具有全新的設(shè)計，專門開發(fā)用于以最少的能量運(yùn)行，同時仍支持對各種模擬參數(shù)的連續(xù)感測。

圖 5 – 低功耗 ADC 設(shè)計

圖 5 顯示了 ADC 的簡化輸入圖。 ADC 旨在支持高達(dá) 14 位的分辨率，從而能夠?qū)υS多不同的物理參數(shù)進(jìn)行精確測量。這種新型 ADC 設(shè)計的主要優(yōu)勢在于，它在 32 kHz 下運(yùn)行時僅消耗 3 μA，采樣率為 1.6k 樣本/秒。這種采樣率雖然很慢，但足以測量跟蹤應(yīng)用中所需的大多數(shù)參數(shù)，例如溫度和壓力，因?yàn)樗鼈兺ǔＷ兓浅＞徛?/p>

ADC 還設(shè)計為自主運(yùn)行，無需 CPU 干預(yù)，再次最大限度地降低使用時的功耗。這些功能包括用于自動采樣多個通道的多種掃描模式、用于提高測量精度的自動平均電路以及比較器功能。當(dāng)測量值高于、低于或超出預(yù)編程范圍時，后者會產(chǎn)生中斷。

ADC 模塊還集成了一個片上溫度傳感器，可以自動監(jiān)控以檢查出貨溫度是否超過預(yù)定限制。完整的 ADC 子系統(tǒng)是許多跟蹤應(yīng)用的理想解決方案，提供監(jiān)控和記錄影響運(yùn)輸?shù)沫h(huán)境條件所需的所有功能，并最大限度地降低此任務(wù)所需的功耗。

RE01 還實(shí)現(xiàn)了獨(dú)特的能量收集控制器 (EHC)，允許從各種不同的可再生能源收集能量，同時允許設(shè)備自動控制外部可充電電池或超級電容器。EHC 還可以為無線電和傳感器等外部設(shè)備供電，以便它們也可以利用收集的能量運(yùn)行。這有助于開發(fā)用于跟蹤應(yīng)用的完整無電池解決方案，這些應(yīng)用可以完全由各種能量收集解決方案供電，包括在振動和光下運(yùn)行的收集器。

能量收集應(yīng)用中任何嵌入式設(shè)備的最大問題之一是“浪涌”電流。這是設(shè)備最初開啟時所需的電流，通常非常大。這里的風(fēng)險是它淹沒了大多數(shù)典型的能量收集電源并導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行不正確。在 SOTB 設(shè)備上實(shí)施的 EHC 專為避免此問題而設(shè)計。它的開發(fā)目的是管理來自收集電源的少量可用能量，從而使微控制器能夠從提供低至 5 μA 電流的低能耗電源安全可靠地啟動。這意味著，幾乎第一次，真正的跟蹤應(yīng)用是可以實(shí)現(xiàn)的，并且可以使用從環(huán)境中收集的能量來測量和記錄來自周圍環(huán)境的連續(xù)數(shù)據(jù)。

圖 6：能量收集控制器

借助正確的功率尺寸電路，能量收集控制器使這些設(shè)備能夠使用各種電源運(yùn)行，包括太陽能電池、振動收集器、熱收集器等等。在瑞薩電子的網(wǎng)站上可以找到許多此類示例，以及一些顯示正在使用的收割機(jī)的典型示例的視頻。

基于薄埋氧化硅技術(shù)的嵌入式控制器的開發(fā)將使新一代跟蹤應(yīng)用程序無需電池即可運(yùn)行。在醫(yī)療保健應(yīng)用中，這些將提高產(chǎn)品質(zhì)量和條件，同時為醫(yī)療保健行業(yè)節(jié)省大量成本。

有關(guān)瑞薩 RE01 系列的更多信息，請訪問瑞薩網(wǎng)站，其中包括使用這些設(shè)備的應(yīng)用筆記和視頻示例。RE01 現(xiàn)已開始量產(chǎn)。

關(guān)于作者
Graeme Clark 曾在 Renesas Electronics Europe 和之前的 Hitachi Electronics 工作 20 多年，從事低功耗微控制器方面的各種工作。他現(xiàn)在負(fù)責(zé)將基于 SOTB 的新型嵌入式控制器引入歐洲市場。

審核編輯 黃昊宇