安森美半導體的高能效方案如何用最尖端的持續感知器技術實現無電池應用

持續能量采集器和安森美半導體的低功耗射頻技術填補用于物聯網的環境和加速度計傳感器的缺口。
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背景
盡管物聯網(IoT)的激增是無可爭議的，但迄今只有少數出版物就有關能源供應問題啟發了公眾，支持迅速增長的傳感器和收發器數量。

Trillion Sensor Visions：萬億傳感器前景預測
Sensors/year：傳感器/每年
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圖1.?每年部署的傳感器數量預測
（資料來源：Sia and Tsensor.org 2015）
在法國南錫舉行的2018年世界材料論壇(World Material Forum)上，證實了IoT的快速增長
以及對數據存儲、處理和傳輸的高要求將成為該項目可持續性的重要問題。 因此，任何形式的能量采集都是受歡迎的，除非絕對強制。
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應對這一挑戰的全面潛在方案包括：
?設計超低功耗嵌入式硬件平臺
?智能系統級電源管理
?從工作環境中采集能量來使設備自供電
在實施這些方案時，電子設計人員必須記住，IoT傳感器不僅必須測量一個值（包括溫度，濕度，污染，光照水平），而且還必須將該值傳達給其系統主機 –通常是無線的–以有限的電源。
為了實現這，必須全面考慮設計中的每個系統級組件，包括傳感器、接收器、能源和通信占空比。
本白皮書將探討安森美半導體的高能效方案如何用最尖端的持續感知器技術實現無電池應用。
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超低功耗收發器和通信協議
設計的第一步是選擇既超低功耗又支持無線協議以傳輸信息的RF收發器。適當的無線協議應支持并含以下特性：
?支持局域網傳輸距離
（室內約幾十米）
?通過架構實現低功耗
（短幀和低Tx功率可減少CPU和無線電功率預算）
?支持安全傳輸（例如加密）
?提供簡單的接收機制（信標）
?提供易用的硬件實施
（例如，傳感器和收發器之間的直接接口）
?高集成度（SiP或單芯片）
?提供標準化的通信協議（IEEE或SIG類型），包括傳感器節點和網關之間的互操作性
?低實施成本以支持大眾市場可用性
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幸運的是，藍牙特別興趣小組(SIG)和Zigbee?聯盟現在提供無線協議，專注于優化各自的協議多年。 現在，我們提供了藍牙5以及Zigbee Green Power協議，在短幀持續時間、安全性和發射功率進行了優化。
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傳輸所需的所有信息以在不到10毫秒（ms）的時間內聯接。關鍵是如何用能源優化的器件實施這些協議，并充分利用電壓和電流資源。安森美半導體基于其在超低功耗微控制器和助聽器音頻的專知設計了器件，在6 dBm時的功率預算低至10 mW。 現在有幾種產品可以解決挑戰：支持Zigbee協議的NCS36510和支持藍牙低功耗的RSL10。協議的組合與智能電源實施要求得出以下方程式，如圖2所示。

ON Semiconductor Technology：安森美半導體技術
IoT Protocols ZIGBEE GP; BLE UNB SubGHz：IoT協議ZIGBEE GP；藍牙低功耗UNB SubGHz
Harvesters: 能量采集器
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圖2. IoT應用能耗的“經驗法則”
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選擇能量采集源
圖2中的方程式為我們提供了現代低功耗聯接和通信協議的能源需求的指導原則。 剩下的就是選擇合適的采集源和使用范圍。 時間是另一個必須考慮的因素。持續采集方案產生的功率可能很低，但目的是隨時間進行累積，因此增益因子很重要。 例如，采集1秒并傳輸10 ms會產生100的增益。相比之下，采集10秒并傳輸5 ms會產生2000的增益。電解電容器技術完全支持數秒范圍內的能量累積。
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基于太陽能的能量采集
以RSL10藍牙5無線電或NCS36510 Zigbee系統單芯片（SoC）為例，我們可以計算出，在協議傳輸期間（持續最多10 ms），我們將需要大約10 mA的電流。 對于每秒的傳輸，我們可以將增益提高100倍。 如果傳輸每10秒發生一次，則增益將為1000x。 這意味著我們可以為太陽能采集器設定10 mA / 100 = 100 _A或10 mA / 1000 = 10 _A的電流源。
有趣的是，像Ribes Tech的FlexRB-25-3030這樣的太陽能電池在200勒克斯(lux)時提供16 _A或在1000 lux時提供80 _A。 這正滿足所需。

Working voltage：工作電壓
Working current:?工作電流
Maximum voltage:?最大電壓
Maximum current:?最大電流
min:最小值
typ:?典型值
max:?最大值
lux:?勒克斯
Current:電流
Voltage：電壓
圖中顯示的J-V曲線在1000 lux光源熒光燈管6500 K下測得
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圖3. Ribes Tech的FlexRB?25?7030、FlexRB-20-6030的電氣規格
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使用Ribes Tech的FlexRB-25-3030之類的太陽能電池將使我們能夠提供一種自主傳感器，以1到10秒的占空比發送藍牙低功耗或Zigbee幀。
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常見照明條件
大多數太陽能電池的特征在于兩組照明條件：200 lux和1000 lux。這些條件涵蓋了廣泛的日常照明，如下表所示
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表1.?常見的照明工作條件
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*使用在iPhone?6上運行的Velux的Luxmeter應用程序進行的測量。
**不建議將其作為實際配置的工作條件。
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持續測量域
根據本文檔前面提到的信息，我們可以開始研究整個采集系統的行為。必須有一個能量預加載階段，以便器件在觸發第一次通信之前從太陽能電池中采集能量。下一節（技術挑戰）將詳細介紹成功實施的各種技巧和指南。一旦器件捕獲并存儲了足夠的能量，微控制器（MCU）就必須設置通信參數，Tx功率，信道選擇和溫度測量。
該活動將在MCU大部分處于活動狀態時獲得，因此緩沖的能量必須足夠高，以傳輸盡可能多的信標幀。
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Preload：預載
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圖4.在給定照明條件下的概念能耗視圖
以2秒的占空比，我們可以實現一個無電池傳感器節點，該節點能夠測量緩慢變化的參數（例如，濕度，溫度，大氣壓力，室內參數，光強度）。
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技術挑戰和實施
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聯接
第一步是選擇通信和數據處理IC，該IC可以支持所需的通信協議，并具有由采集器件規定的可用能量預算。 在大多數情況下，要求選定的器件支持高能效的待機和深度睡眠模式，以在不需要任何操作時節能。為了簡化電源傳輸，首選具有最小輸入電壓或寬輸入電壓范圍的器件。 這樣，可以使用簡單的降壓或線性穩壓器來調節或限制系統電壓。
類似的要求也適用于系統中使用的傳感器。 如果不能提供睡眠模式，則可以實施電源門控以在不需要感測時禁用傳感器電源。
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儲能
下一部分要考慮的是儲能和能量管理，用于為傳感器和微控制器供電。為了存儲所采集的能量，可能有多種方法。 哪種方法最合適取決于目標應用的要求。 通常，可以使用基于電容器或電池的方案。
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基于電容器的方案通常比電池方案在相同體積下具有較低的整體容量，這是因為它們的能量密度較低。 這使得電池更適合于需要長時間在無光源時保持工作的傳感器。

Ragone Plot of Electrochemical Devices：電化學器件的Ragone圖
Fuel Cells：燃料電池
Lead-Acid Battery：鉛酸蓄電池
NICd Battery：NICd電池
Lithium Battery：鋰電池
Double-Layer Capacitors:?雙層電容器
Ultra-Capacitors：超級電容器
Aluminum-Electrolytic Capacitors：鋁電解電容器
Power Density：功率密度
Source US Defence Logistics Agency：來源美國國防后勤局
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圖5. Ragone圖幫助我們選擇適當的儲能技術
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基于電池的系統所面臨的挑戰是它們通常需要更復雜的能量管理系統。這包括充電和放電控制以及針對過度充電和過度放電的電池保護。這增加了系統復雜性以及物料單(BOM)（成本），因為這種能量管理系統通常涉及開關穩壓器（額外的無源器件），并且由于所需的功能而導致更復雜的IC。芯片的復雜性以及對高能效和低靜態電流的要求通常導致相當昂貴的IC方案。
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在不需要更長的工作時間而不暴露于光線的應用中，基于電容器的方案可能是一種更具成本效益的方案。該存儲電容器臨時累積來自太陽能采集器件的能量，直到有足夠的能量可用于執行測量并傳輸結果為止。當使用具有足夠額定電壓的電容器時，不需要充電電路。所用的太陽能采集器暴露在預期峰值亮度下時的開路電壓決定了最大輸入電壓。如果電容器的額定電壓超過開路電壓，則無需充電電路或保護。
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對于基于電池和電容器的方案，都需要調節輸出電壓，以為聯接的電路（傳感器、微控制器等）提供適當的電壓。使用基于鋰的存儲選項的系統達到的電壓高于4 V，該電壓通常超出傳感器和微控制器的輸入電壓范圍。為了匹配通常為1.8至3.3 V的電源電壓，需要降壓轉換。在基于電容器的系統中，電壓與所存儲的電荷量線性相關。這可能會導致整個放電周期的電壓變化很大，而這并不是所有傳感器或微控制器都能接受的，因此需要某種穩壓器來穩定電源。

圖6.?RSL10太陽能電池多傳感器板
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RSL10太陽能電池多傳感器板（RSL10-SOLARSENS-GEVK）是用于無電池IoT應用（包括智能建筑，智能家居和工業4.0）的綜合開發平臺。 該板基于業界最低功耗的藍牙低功耗無線電（RSL10），含用于溫度和濕度感測的多個傳感器（BMA400-智能3軸加速度計，BME280-智能環境傳感器和NCT203寬范圍數字溫度傳感器） 。
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該板還具有一個47__F的超低成本、低重量和薄型存儲電容器，一個編程和調試接口以及一個聯接的太陽能電池。
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由于該器件從低電流源采集能量，因此在運行和采集能量時整個系統的漏電流很小是很重要的。 為此選擇了幾種智能器件，其中包括板載的超低靜態電流LDO（NCP170）。

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PV CELL：光伏電池
Load：負載
10Vmax Capacitor：10?V最大電容
CLAMP：鉗位
RSL10 beacon with 10s + 2s timer：RSL10信標，10s + 2s計時器
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圖7.多傳感器板的概念圖

BLE5.0 Advertising：藍牙低功耗5.0廣告
Gateway：網關
Cloud：云
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圖8.完整的系統總覽，包括傳感器、網關和云服務
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有了這份資產清單，潛在的應用范圍非常廣泛，讓我們快速瀏覽一下它們：
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智能建筑：
?氣候控制（環境）
?窗戶破損檢測（3軸加速度計）
?樓宇自動化（兼具環境及3軸加速度計）
?門破損檢測（3軸加速度計）
門窗開關狀態報告（3軸加速度計）
?會議室占用監控（兼具環境及3軸加速度計）
智能家居
?環境控制（環境）
?屋頂和窗戶控制（兼具環境及3軸加速度計）
?窗戶破損（入侵）檢測（3軸加速度計）
工業4.0 /智慧城市
?空氣污染檢測（環境）
?工人安全（兼具環境及3軸加速度計）
?安防監控（3軸加速度計）
移動健康
?集成/便攜式傳感器（3軸加速度計）
?自行車/摩托車主動式頭盔（3軸加速度計）
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圖9. 在Embedded World 2019的無電池窗戶傳感器演示
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硬件設置和優化
RSL10太陽能電池多傳感器板使用安森美半導體的RSL10處理測量數據，并以藍牙低功耗廣告數據包傳輸結果?？梢允褂?a target="_blank">智能手機或任何其他支持藍牙低功耗的設備接收數據包以進行可視化。
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鋁電解電容器將用作主要的儲能。太陽能采集器的開路電壓范圍為3至6 V，因此可以在電路中使用約10 V的額定電容器，而無需任何輸入鉗位或保護。在電路中，電容器通過太陽能采集元件直接充電，僅需串聯一個肖特基二極管。放置該二極管可避免采集器使電容器放電。我們將在后面討論電容器的容量，因為它取決于后面幾節中討論的其他幾個方面。
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RSL10 SoC包含一個集成的DC - DC降壓穩壓器，使芯片可在寬范圍的輸入電壓（1.1至3.3 V）下工作而無需額外的穩壓器。由于在非常明亮的情況下，所用的太陽能采集器可能會超過RSL10的最大額定電壓，因此將線性穩壓器用作限壓器。如果輸入電壓超過3.3 V，則穩壓器會產生恒定的電源電壓。如果電壓低于3.3 V，則穩壓器將不加調節地使電容器電壓通過。由于穩壓器僅在可用能量“太多”的情況下使用，因此多余的能量轉化為熱量是毫無問題的。如果對功率的需求增加，則電容器電壓將下降，穩壓器將不再工作并“浪費”能量。然而，穩壓器的簡單性導致較低的靜態電流。這是必不可少的，因為它將有助于在微光情況下保持可用能量。圖10顯示了一個典型的工作場景，在較低功耗時限制電壓。當電容器電壓下降到3.3 V以下（由于更高的功耗）時，LDO穩壓器不再工作，并使電壓直接通過。

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Capacitor Voltage：電容器電壓
Limited MCU Supply Voltage：有限的MCU供電電壓
圖10.使用LDO穩壓器限壓
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當系統完全放電然后暴露在光線下時，電容器的電壓將隨著電荷的積累而緩慢上升。默認情況下，RSL10一旦達到其較低的閾值電壓（?1 V），就會（嘗試）啟動。只有在太陽能采集器連續提供啟動所需的功率才起作用，以將電容器電壓維持在1?V。如果太陽能收集器提供的功率少于所需的功率，則電容器電壓將下降。當電壓低于?1 V的閾值時，啟動失敗，因為RLS10將關斷。當太陽能采集器的能量輸出低于啟動期間的RSL10消耗時，將重復此序列。
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由于采集器通常無法在所有（光照）情況下產生那么多的能量，因此需要啟動電路以確?？煽康膯?。
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用于該演示器的電路可確保在為RSL10和其他器件供電之前，對存儲電容器進行充分的預充電。為確保成功啟動，存儲電容器需要維持系統完全啟動所需的能量。在我們的用例中，啟動是從初始上電到系統可以進入其深度睡眠模式的時間點的序列。
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可以測量執行此序列所需的能量。根據所需能量和微控制器的典型輸入電壓范圍，確定所需電容器的最小尺寸。對于提出的基于RSL10的應用，啟動需要?120 _J。結合所需的?1.5至3 V電壓范圍，這將導致理論上的最小電容為35.6 _F。實際上，應使用更大的電容器來補償由制造容限、不同的工作溫度或組件老化等因素引起的電容變化。
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啟動和保持電路
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要啟用和禁用RSL10的電源，使用鉗位LDO穩壓器的使能信號。使能的輸入由兩個來源生成。第一個源由電壓監控器IC（安森美半導體的MAX809）產生，該電壓監控器IC由電容器輸入電壓供電，一旦電容器電壓超過2.63 V，它將啟用LDO穩壓器。第二個輸入用于確保使能引腳保持輸出電壓足夠高。根據所需的閾值，可以使用LDO的默認關斷閾值（對于NCP170> 1.2 V；在?1.5 V時測量）。在這種情況下，LDO的輸出電壓被反饋到使能引腳。如果需要更高的關斷電壓，則可以添加閾值> 1.5 V的附加電壓監控器，一旦LDO輸出降至電壓監控器定義的閾值以下，將使能下拉。圖11顯示了所用啟動電路的原理圖。 U3是次級電壓監控器，可根據關斷所需的閾值電壓去選擇。

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Startup-Circuitry?and Voltage Regulation：啟動電路和穩壓
LDO as a active clamping circuit and power switch：LDO作為有源鉗位電路和功率開關
Storage Capacitor：存儲電容器
Turn-on Threshold：導通閾值
(optional) Turn-off Threshold：(可選的)?關斷閾值
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圖11.?啟動電路原理圖
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在圖12中，可以觀察到啟動電路的行為。 在A點之前，電容電壓緩慢上升，直到在點A達到2.63V。電壓監控器具有內部延遲，使實際導通時間延遲tD，對于所用器件，tD在140-460 ms之間。?延遲后，將激活MCU電源。?當MCU供電電壓高于?1.5 V時，系統可以正常運行。?一旦電壓降至1.5 V以下（B點），MCU供電電壓將被禁用，因為所用NCP170的使能引腳閾值為1.5V。?此后，電容器電壓需要再次升高到2.63 V以上才能重新啟用MCU電源。

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Storage Capacitor voltage：存儲電容器電壓
MCU Supply Voltage：MCU供電電壓
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圖12.?啟動電路行為
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該板包含溫度、空氣質量和加速度傳感器。 所有傳感器都支持睡眠模式，以在不需要時降低能耗。 為了避免變化的電容器電壓對數據采集產生負面影響，使用了1.8 V的穩定傳感器供電電壓。 可以禁用該傳感器供電電壓，以進一步減少電流消耗。 傳感器通過I2C總線與RSL10 SoC接口。
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在溫度傳感器和加速度計支持的工作模式下，傳感器可以監測各自的物理狀況，而無需RSL10的交互。 在這種模式下，如果監測值超出了預先設定的范圍或發生了其他編程情況，傳感器將使用專用中斷線喚醒RSL10。

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圖13. RSL10太陽能電池多傳感器板
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使用2層設計的最終PCB尺寸為24 x 51 mm，所有元器件都在頂側，以便能夠連接背面的太陽能采集器件。
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可以通過以下方式連接太陽能采集器：
?在板子的左側使用100 mil間距的連接器
?板右側的4引腳1毫米間距的ZIF連接器
?板兩側的焊盤可直接連接面板或其他連接器

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圖14. 在EWC 2019演示的無電池多傳感器節點
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固件設置和優化
RSL10太陽能電池板的目標行為是測量環境參數，并以藍牙低功耗廣告數據包將其傳輸。進行測量和傳輸的時間間隔取決于可用能量。固件需要監控可用能量并調節系統電源狀態，以優化系統性能。
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系統啟動時，RSL10初始化所有必需的外設，并計時資源和藍牙低功耗基帶。這些步驟對于使RSL10的所有電源狀態都可用至關重要。為省電，所有未使用的外設都保持禁用狀態。此外，在需要進行實際測量之前，將關斷傳感器的電源。
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RSL10初始化后，系統需要確定它是否具有足夠的剩余能量來執行某些測量，或者是否有必要進入超低功耗深度睡眠模式以使存儲電容器充電至更高的電壓電平。為了確定當前可用的能量，RSL10可以測量電源電壓。 3.3 V的電壓表示電容器已滿，并且LDO已經在限制輸出電壓。對于低于3.3 V的電源電壓，RSL10直接測量電容器電壓并可以確定能量含量。
如果能量不足以執行所需的測量，則RSL10進入其深度睡眠模式。在這種模式下，RSL10消耗的功率在62.5 nW的范圍內，即使在微光的情況下，存儲電容器也可以充電。在深度睡眠模式下，RSL10的外設被禁用。為了在深度睡眠模式下保持某些可變的系統的狀態，一部分RAM被保留。從深度睡眠喚醒的速度比完全啟動要快得多，并且所需的能量要少得多。
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在深度睡眠模式下經過一段固定的時間后，RSL10喚醒以檢查存儲電容器是否已積累了足夠的能量來執行測量和傳輸數據。決定測量是否可行的能量閾值是通過實驗確定的。如果能量水平仍然不足，則RSL10再次進入深度睡眠模式。
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如果可用能量足以進行測量，則啟用傳感器的電源并初始化I2C接口。通過I2C，傳感器被配置為執行其測量。一旦測量完成，就將結果讀回并復制到用于傳輸測量數據的廣告包中。
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包含測量值的廣告包隨后被發送。發送后，RSL10在所需的最小發送間隔時間內進入深度睡眠模式。然后，從確定喚醒后的可用能量開始，重復該序列。
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藍牙低功耗考量因素：
選擇使用廣告包通過藍牙低功耗將測量的傳感器數據傳輸到其他設備是最節能的方式。這使RSL10太陽能電池板的采集器可以將掃描的附近所有藍牙低功耗設備作為目標，而無需建立和維持聯接。另外，太陽能采集器以廣播器模式發送數據，說明在每個發送的廣告包之后它都不會啟用接收器。這節省了額外的功耗，其代價是不聯接并且不能發送掃描響應數據包，從而將廣告數據的最大限制從31個字節提高到62個字節。根據應用需求，可能需要在可聯接模式下進行廣告發布，以允許某些設備配置傳感器節點的參數，例如首選廣告間隔和首選測量間隔。
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為了克服僅允許31字節數據的小廣告包的限制，可以在每個廣告間隔的不同廣告有效載荷之間切換。這可用于在一個廣告包中發送自定義傳感器數據幀，然后在下一個廣告包中發送Eddystone Beacon URL幀。 Eddystone URL數據包可用于鏈接到具有其他信息的網頁，并提供下載應用程序用于顯示傳感器數據。
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不同于藍牙SIG定義的環境感知服務的聯接設備，沒有用于僅使用廣告包來傳輸各種傳感器數據的標準化格式。
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這樣，自定義廣告數據幀用于將傳感器數據傳輸到掃描設備。這些設備需要專用軟件或應用程序，能夠解析和處理此類廣告包內容。在整個基礎架構由單個實體管理的工業用例中，這可能不會造成問題，但是如果應用于可能需要多個供應商的設備協作的市場，則可能會導致互操作性問題。
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固件實施
基于上述行為，安森美半導體開發了RSL10太陽能電池多傳感器板固件。
安森美半導體提供基于Eclipse的環境RSL10 軟件開發套件(SDK)，用于基于RSL10平臺的軟件開發。 RSL10 SDK包含全集成的開發環境，具有功能強大的編輯器、工具鏈、文檔、各種示例代碼以及基于CMSIS-Pack的軟件包。

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圖15.?RSL10軟件開發套件(SDK)
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可以使用RSL10 SDK附帶的CMSIS Configuration Wizard編輯器來配置固件，如圖16所示。通過使用圖形界面提供每個參數詳細說明并檢查輸入值的正確范圍，可以更改所需參數來快速評估不同的軟件配置。。對于需要更復雜的更改進行評估的情況，CMSIS包中提供了源代碼和示例項目。

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圖16. CMSIS Configuration Wizard中顯示的可配置參數
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圖17顯示了在傳感器測量事件期間電路板的電流消耗，隨后是測量數據的公告。 在此事件期間，總共使用了60 _J的能量來測量傳感器數據并公布結果。 如果沒有安排傳感器測量，而電路板僅做公告，則能耗降低到20 _J。
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圖17.傳感器測量和公告發布的典型操作周期
（3 V電源，公告間隔設置為1 s，在每個公告間隔期間都進行傳感器測量）
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接收信標數據
RSL10太陽能電池多傳感器板公告的傳感器數據作為制造商的廣告包特定數據及藍牙低功耗標志和板的完整本地名稱的一部分。 這允許訪問所有設備的傳感器數據，這些設備將制造商特定的數據公開給應用程序，包括Android和IOS設備。
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在這種情況下，將RSL10 USB軟件狗（RSL10-USB-001-GEVK）連接到主機PC，以顯示捕獲的傳感器數據。 使用帶有Python綁定的RSL10 USB軟件狗和隨附的軟件藍牙低功耗Explorer來創建簡單的腳本，該腳本掃描附近的藍牙低功耗設備，并在它們具有匹配的廣告數據時顯示傳感器數據。
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圖18.顯示的RSL10 USB軟件狗捕獲的傳感器數據
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總結
通過該參考平臺，安森美半導體已證明完全有可能制造出一種低成本、小尺寸傳感器節點，完全由太陽能供電，具有的功能包括持續傳感器監視和數據傳輸到云網關。 多個用例將大大得益于RSL10太陽能電池多傳感器平臺的新技術和功能，包括智能樓宇、城市管理和移動健康。開發人員使用該平臺創建新的創新傳感器設計，可填補實施數十億個智能傳感器所產生的能源需求缺口，從而幫助徹底變革物聯網。