依靠物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點實現(xiàn)電源管理設備的超低功耗性能

“物聯(lián)網(wǎng)”(IoT)的精確定義各不相同。有些人認為它是現(xiàn)有機器對機器(M2M)市場的合理擴展，可通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程控制和監(jiān)控。有些人認為該術語包含M2M及更多內(nèi)容，涵蓋了更廣泛的網(wǎng)絡對象概念，無論是通過互聯(lián)網(wǎng)還是封閉網(wǎng)絡進行通信。然而，隨著定義的發(fā)展，預計物聯(lián)網(wǎng)概念將擴大數(shù)百萬甚至數(shù)十億嵌入式設備和傳感器的連接。

物聯(lián)網(wǎng)預計將刺激遠程監(jiān)控市場的增長，如環(huán)境監(jiān)測，智能城市的交通監(jiān)控，從工廠到農(nóng)場的結構傳感和工業(yè)監(jiān)測。越來越先進的技術使我們能夠輕松便宜地安裝新的或增強現(xiàn)有的無線傳感器節(jié)點，增加了傳感器，RF設備和一些智能。

物聯(lián)網(wǎng)的許多終端節(jié)點將是以前未連接的對象，現(xiàn)在能夠在常規(guī)(可能不經(jīng)常)的基礎上提供少量數(shù)據(jù)。通過互聯(lián)網(wǎng)改進對這種更頻繁，多樣化和眾多的傳感器數(shù)據(jù)的訪問，將提供對系統(tǒng)和網(wǎng)絡狀態(tài)的更好洞察，改善決策，從而改善我們的生活和節(jié)約資源。

超低功耗操作在許多這些遠程監(jiān)控類型的傳感器節(jié)點中至關重要，特別是隨著更多智能和網(wǎng)絡功能的增加。這些節(jié)點需要免維護，并且可以長時間連續(xù)，準確，可靠地運行。許多人將不得不依賴能量收集和/或長壽命電池來供電。它們還需要能夠在數(shù)據(jù)傳輸之間切換到超低功耗或休眠狀態(tài)。

極低功耗但更智能的微控制器正在不斷發(fā)展，以便與網(wǎng)絡無線電通信設備一起滿足這些要求。電源管理電路是第三個必不可少的元素。請參見下面的圖1.

圖1：IoT無線傳感器節(jié)點依賴于收集的能量，通常需要微控制器，電源轉(zhuǎn)換，電源管理和通信設備，所有這些都在極低的條件下運行功率水平(由德州儀器公司提供)。本文將回顧為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設計的最先進的智能，超低功耗設備，為了便于說明，參考最新的互補范圍。德州儀器。其中包括MSP430F52xx系列微控制器，TPS62740降壓轉(zhuǎn)換器，bq25504/5升壓充電器和CC2541藍牙收發(fā)器。

超低功耗

許多微控制器制造商在他們的產(chǎn)品組合中都有超低功耗器件，具有極低功耗的休眠狀態(tài)，能夠以非常小的能量運行，以納安為單位。 ARM內(nèi)核出現(xiàn)在許多供應商的設備中，包括飛思卡爾半導體，意法半導體和德州儀器。其他極低功耗器件供應商包括Atmel，賽普拉斯半導體，Microchip技術，Silicon Labs和瑞薩。

同樣，超低功耗無線電設計隨時可用，能夠通過網(wǎng)絡傳輸傳感器數(shù)據(jù)，以及根據(jù)應用，它可以從紐扣電池，超級電容器或可充電電池充電十年或更長時間。此類設備的制造商包括：Analog Devices，Atmel，Nordic，STMicroelectronics和Texas Instruments。

管理這些微量能源以確保傳感器節(jié)點隨時間的可靠，免維護運行需要能夠獲取和增強的復雜設備或?qū)⑽⑼叩墓β兽D(zhuǎn)換為毫瓦。設備本身必須是低功率的。該市場的主要參與者包括ADI公司，Maxim Integrated Products公司，凌力爾特公司，意法半導體公司和德州儀器公司。

微控制器

讓我們采用德州儀器MSP430系列超低功耗16位微控制器，其中包括變體具有選定的功能和外圍設備。該器件架構旨在優(yōu)化便攜式應用中的電池壽命，無論是遠程無線傳感器節(jié)點還是智能手機。

MSP430F5249具有四個16位定時器，一個高性能10位ADC，兩個通用串行通信接口，硬件乘法器，DMA，比較器和具有報警功能的實時時鐘模塊。所有時鐘有效的功耗在8 MHz，3 V(閃存)或150μA/MHz(ram)時為2990μA/MHz。待機模式為1.4μA或1.9μA，喚醒時間為3.5μs。關閉模式，在3 V時具有完整的RAM保持為1.1μA，在3 V時的關斷模式僅為0.18μA。

MSP430F5239變體提供相同的功能，無需ADC。這些器件集成了128 KB閃存，非常適合需要更大存儲器的工業(yè)應用，如模擬和數(shù)字傳感器系統(tǒng)，非常適合遠程或危險區(qū)域的無線傳感器節(jié)點。

互聯(lián)網(wǎng)連接

TI提供一系列無線網(wǎng)絡處理器模塊，專門用于實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)連接，同時為MCU提供最小的軟件和內(nèi)存開銷。 CC3000模塊是一個完整的平臺解決方案，可減少組件數(shù)量并簡化認證。它附帶軟件驅(qū)動程序，示例應用程序和完整文檔，并支持IEEE 802.11b/g。有關使用CC3000和MSP430微控制器設計基本W(wǎng)i-Fi應用程序的分步指南，德州儀器(TI)網(wǎng)站。 1 設計人員可以使用德州儀器維基站點上的MSP-EXP430G2 Launchpad開發(fā)板包找到CC3300基本W(wǎng)i-Fi示例應用程序。 2

該開發(fā)套件提供兩個16 MHz MSP430微控制器，用于編程和調(diào)試的板載仿真，用于無線連接的附加模塊的按鈕，LED和插座等。最近發(fā)布的LaunchPad評估套件用戶指南 3 也可用。

圖2：德州儀器的MSP430G2 Launchpad評估板使用CC3000無線網(wǎng)絡處理器電源管理

“超低功耗”的定義隨著技術的發(fā)展而演變，并且由于存在許多低功耗狀態(tài)，因此比較器件可能會非常棘手。衡量電源低功率效率的一個有用指標是其靜態(tài)電流(IQ)。請參閱這篇內(nèi)容豐富的白皮書，IQ：它是什么，它不是什么，以及如何使用它。 4

為了將收獲的能量轉(zhuǎn)換為可用功率，無線傳感器節(jié)點需要功率管理設備，如降壓或降壓轉(zhuǎn)換器。 TI推出了TPS62740，旨在為微控制器(如MSP430)和通信設備(如CC3000(Wi-Fi)和CC2541(藍牙))供電。該降壓轉(zhuǎn)換器的目標是300 mA輸出電流設計，在有效工作期間僅提供360 nA的靜態(tài)電流，在待機模式下提供70 nA的靜態(tài)電流。效率優(yōu)于90%，低至10μA。這款微型設備采用可充電鋰離子電池供電。輸出電壓可通過四個VSEL引腳選擇，范圍為1.8至3.3 V，步長為100 mV。

為幫助設計人員評估該器件并測試其操作和功能，TPS62740EVM-186評估板隨用戶提供指南。該指南介紹了如何設置效率測量，避免常見錯誤。

對于較低電流設計，TPS6273針對50 mA輸出電流電路，在有效工作期間提供370 nA靜態(tài)電流，在睡眠模式下提供15 nA靜態(tài)電流，在低于15μA的輸出電流下仍能實現(xiàn)90%的效率。

Boost充電器

一種用于從低壓輸出采集器(如熱電發(fā)電機或壓電設備)提取電力的常用設備，是一種增壓充電器集成DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器。 TI的產(chǎn)品系列包括三款專門針對納米功率應用的產(chǎn)品，如無電池無線傳感器節(jié)點。升壓轉(zhuǎn)換器還支持各種儲能元件，如可充電電池，超級電容器或傳統(tǒng)電容器bq25504可以在VIN低至330 mV的情況下啟動，然后可以繼續(xù)將能量降至80 mV。靜態(tài)電流為330 nA。該器件實現(xiàn)了可編程最大功率點跟蹤(MPPT)采樣網(wǎng)絡，以優(yōu)化功率到器件的傳輸?；蛘?，MCU可以提供外部參考電壓以產(chǎn)生更復雜的MPPT算法。關于其工作原理的更詳細解釋可以在之前發(fā)布的TechZone文章中找到。 5

評估板bq25504EVM-674，演示了具有電池管理功能的超低功耗升壓轉(zhuǎn)換器 - 采用應用，與大多數(shù)MCU和3 V紐扣電池兼容。

bq25505升壓充電器，具有325 nA的有源靜態(tài)電流，增加了一個自主電源多路復用器柵極驅(qū)動器，可確保在系統(tǒng)需要時提供恒定功率即使沒有來自收割機的能量，也要進行操作?？梢远嗦窂陀脙蓚€存儲元件，以便為系統(tǒng)負載提供單個軌道。該器件非常適用于可在某些時間利用清除能量的應用，從而延長電池的使用壽命。最后，bq25570增加了降壓輸出調(diào)節(jié)，以確保系統(tǒng)提供外部可編程穩(wěn)壓電源。有源靜態(tài)電流為488 nA，效率優(yōu)于90%，低至10μA。此外，還有獨立的使能信號，允許應用程序控制何時運行穩(wěn)壓輸出，或?qū)⑵骷糜诔挽o態(tài)電流睡眠狀態(tài)，降至5 nA。

結論

大部分內(nèi)容物聯(lián)網(wǎng)運動的大規(guī)模增長預測將來自各種遠程監(jiān)控應用中智能無線傳感器節(jié)點的激增。這些節(jié)點可能完全或部分依賴能量收集來為超低功率設備提供燃料，這些設備提供所需的智能(MCU)，通信(RF網(wǎng)絡處理器)和電源管理(增強器和轉(zhuǎn)換器)。