基于物联网传感器网络设备的低功耗解决方案

编号：__________ 基于物联网传感器网络设备的低功耗解决方案

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编制时间：____年____月____日

据估计，物联网每年会产生100多个zettabytes（万亿千兆字节）的数据，而这个数字只会增加。到2020年，平均家庭对这一数字的贡献数据预计将增加五倍。创建数据不需要太多的计算能力，因为可以使用简单的传感器集线器捕获，数字化和存储数据。能够检测九轴运动的MEMS传感器采用封装，每侧仅测量1或2毫米。这些微型设备和越来越多的传感器构成了当今物联网的，使端点能够实时在线捕获，处理和共享数据。

由于预计更多端点可以在有限的电源下运行，从他们的环境中收获的能量，对超低功率运行的需求正在增加。端点可以是更大传感器网络的一部分，但也可能是远程和隔离的。一旦投入使用，它们可能会运行多年而无需维护，包括更换电池。

制造商正忙于开发新的解决方案来应对这一设计挑战，使我们能够设想可以收集和传输信息的设备需要任何外部电源。在可穿戴设备的情况下，这可能很快就会包括仅由佩戴者的身体或其活动提供动力的设备。

Energize！

为了说明如何实现这一点，请考虑块如图1所示。在大多数应用中，功率部分可以是各种电源管理器件中的任何一种，但对于超低功耗应用，选择仅限于专门开发的解决方案，以限度地提高有限的可用功率，如收获能源。

图1：越来越多的集成解决方案现在主要针对主要来自收获能源的应用。

图2中的框图显示了使用ADI公司ADP5090电源管理单元的典型能量收集示例。

图2：框图基于ADI公司的ADP5090的能量收集应用。

这是一款集超大功率的超低功耗升压稳压器点跟踪（MPPT）和费用管理功能。 MPPT可配置为光电和热电能源，工作范围为16 W至200 mW。该器件可以从低至380 mV的电源电压开始，仅从80 mV开始工作。它还支持使用可选的原电池，可以自动切换和切换。这款16引脚器件尺寸仅为3 mm

×3 mm，体积小巧，功能强大，是许多物联网应用的理想选择。该器件由评估和演示套件ADP5090-2-EVALZ（图3）提供支持，为开发能量收集应用提供了完美的平台。

图3：ADP5090-2-EVALZ为评估ADP5090超低功耗升压稳压器提供了完美的平台，该稳压器具有MPPT和ADI公司的充电管理功能。

表格中提供了另一种解决方案凌力尔特公司的LTC3588-1。与其他针对能量收集的PMIC一样，它具有超低静态电流。由于LTC3588设计用于带有交流电的能源，如压电发电机，因此LTC3588集成了低损耗全波桥式整流器和降压稳压器（见图4）。

图4：凌力尔特公司的LTC3588-1纳米级能量收集电源的框图。

连接到Vin引脚的外部电容作为储能器，输出电容器构成调节输出的一部分。该器件为降压转换器生成内部驱动轨，从而使输入电容中的电荷能够传输到输出电容。该器件通过开启和关闭降压转换器来工作。当输入电压足够高时，降压转换器启动。当它低于压差电压时，降压转换器被禁用，输出由输出电容保持。该滞后循环在正常操作期间重复，由外部电感器限定。可以使用D0和D1输入设置输出电压至1.8 V，2.5 V，3.3 V或3.6 V.可以使用演示电路DC1459B-A-ND 评估LTC3588-1的所有功能。

如果应用是从太阳能电池运行的无线传感器，那么赛普拉斯半导体的S6AE101A可能是完美的解决方案。这种能量

收集PMIC可与线性光源（如太阳能电池）配合使用，并且由于其低启动功率仅需1.2μW，因此能够在低至100 lux的光照条件下工作。还可以包括可选的主电池，以确保在无光条件下操作。图5显示了S6AE101A的框图，显示了主要特性，包括功率门控。

图5：S6AE101A能量收集PMIC的框图用于无线传感器节点，来自赛普拉斯半导体公司。

该器件通过将存储的电压与阈值进行比较来运行。只要存储的电压超过阈值，输出电压就会自动启用。一旦存储的电压降至阈值以下，就禁用输出电压。有效时间由总系统功耗决定，因此根据应用，电压源和储能电容器的大小而变化。还必须权衡发电机输送能量的能力，以及充电存储电容所需的时间。可以使用开发套件S6SAE101A00SA1002评估S6AE101A的所有功能。

连接

在我们的示例应用中，主要功能元件之一是RF收发器。

由于对超低功耗无线网络的需求增加，针对该应用领域的高度集成解决方案的数量不断增加。增加的是Maxim Integrated的MAX7037，它是一款4频段sub-GHz RF收发器，集成了8051微控制器和混合信号传感器接口（图6）。

图6：Maxim Integrated的MAX7037是一款超低功耗四通道多通道收发器，适用于超低功耗无线传感器网络。

在一个控制下作为主处理器，MAX7037在发送模式下功耗仅为16 mA，在接收时功耗仅为22 mA，在深度睡眠模式下仅降至100 nA。设计用于ISM sub-GHz频段，可配置为使用FFSK，FMSK或ASM调制在315,433,868或915-930 MHz 下工作。

混合信号传感器接口通过集成的9位sigma delta ADC 支持模拟传感器。主机CPU通过UART控制MAX7037，但默认情况下它作为SPI从机运行。在此模式下，其64 KB的片上闪存可以保存主机CPU编程的固件。 TEST0引脚控制器件是

在编程模式还是运行模式下启动。要评估MAX7030的功能，请查看MAX7037EVKIT。

另一种不需要主机CPU的替代且稍微集成的解决方案可能是德州仪器的CC1310，是SimpleLink的一部分家庭。如图7所示，这款超低功耗sub-GHz无线MCU集成了ARM®Cortex®-M3内核和超低功耗传感器控制器，可自主运行以节省系统功耗，以及完全集成的RF收发器能够在315,433,470,500,779,868和915 - 920 MHz下工作。

图7：德州仪器的CC1310是SimpleLink系列高度集成的无线MCU