克服射频能量采集器局限性的传感器解决方案

节能是电子世界的圣杯，传感器也不例外。对于广泛的基于传感器的应用程序而言，低功耗要求和功能已成为必需品，供应商正在加紧满足行业需求。

在任何关于低功率的文章中，首先要讨论“能量”和“能量”的含义是至关重要的。前者是完成的工作总量，后者是工作执行的速度。 （每单位时间使用的能量）。这里适用的常见电子方程是：能量=功率×时间和功率=电压×电流。因此，本文将重点关注电力，电流和时间参数，以检查低功耗此外，应该注意的是，传感器网络具有各种额外元素，必须包含在任何总体功率预算中。传感器部署通常是无线的，并且需要优化其能源资源以保持电池寿命。因此，无线系统中的功率要求必须考虑范围，比特率和其他RF通信因素。为了本文的目的，我们将重点关注传感器本身的各种低功耗特性。

移动应用程序的电力助手

用可充电电池提供1，500至5，000 mWh的总容量，就像所有与移动电话相关的东西一样，用于手机的加速度计必须成为功率吝啬鬼。有些可以使用低于0.02 mWh的能量以50 Hz采样。针对手机，飞思卡尔MMA7660FC±1.5 g 3轴加速度计（图1）带有数字输出（I²C），是一款超低功耗，薄型电容式MEMS传感器，具有一系列用户可配置的省电功能。设备每秒的样本数可以设置为每秒1到120个样本;其工作电流与采用的每秒采样率成正比。此外，可以关闭模拟电源（AVDD）以使MMA7660FC进入关闭模式，通常消耗0.4μA（待机模式：2μA，活动模式：在1 ODR时为47μA（输出数据速率））。

图1：飞思卡尔MMA7660FC MEMS加速度计的框图。

自动唤醒/睡眠功能可以将采样率从每秒较高的用户选择样本切换为每秒较低的用户选择样本，并根据是否检测到运动进行更改。使用上述任何选项，用户可以将器件配置为所需应用的最佳功耗级别。

飞思卡尔加速度计可通过中断引脚（INT）用于传感器数据更改，产品定位和手势检测。该器件采用小型3 x 3 x 0.9 mm DFN封装。

针对助听器和家庭医疗设备，ADI公司的ADXL362三轴数字输出MEMS加速度计在100 Hz输出数据速率下的功耗不到2μA，在运动触发唤醒时功耗为270 nA模式。与使用功率工作循环以实现低功耗的加速度计不同，ADXL362（图2）不会通过欠采样来混叠输入信号;它以所有数据速率对传感器的全部带宽进行采样。

ADXL362的12位输出分辨率和8位格式化数据可在较低分辨率足够时提供高效的单字节传输。可提供±2，±4和±8 g的测量范围，±2 g范围内的分辨率为1 mg/LSB。对于要求噪声水平低于ADXL362的正常550μg/√Hz的应用，可以选择两种低噪声模式（典型值低至175μg/√Hz）中的任何一种，同时电源电流的增加最小。

省电功能包括：

可调节的运行激活阈值睡眠/唤醒模式

宽电源和I/O电压范围：1.6至3.5 V

操作1.8至3.3 V电压轨

高分辨率：1 mg/LSB

电池可从币形电池获得电量

1.8μA（100） Hz ODR，2.0 V电源; 400 Hz ODR时3.0μA，2.0 V电源

270 nA运动激活唤醒模式

10 nA待机电流

图2：ADXL362三轴，±2 g/±4 g/±8 g数字输出MEMS加速度计的功能框图。

它包括一个深度多模输出FIFO，一个内置微功率温度传感器，以及几种活动检测模式，包括可调阈值睡眠和唤醒操作，在6 Hz时可以低至270 nA（近似值） ）测量率。 ADXL362可在1.6至3.5 V的宽电源电压范围内工作，并可与以较低电源电压工作的主机连接。

更多示例

不是翻转开关或调节控制，占用传感器用于各种应用，包括打开和关闭照明以及调节汽车应用中的温度。这种设备不仅可以节省高达50％的大型办公室照明成本，还可以提供各种低功耗模式。

Zilog的ZMOTION™检测模块用作入侵检测解决方案，具有用于占用感应应用的超灵敏检测模式。热释电传感器和夹式菲涅耳透镜相结合，可在不牺牲性能的情况下提供紧凑的解决方案。它还具有更换镜头的能力，提供适合各种应用的灵活性。在通电时，热电传感器需要时间来稳定，然后才能进行运动检测。 ZMOTION MCU监控来自热电传感器的直接信号，以确定何时达到稳定性，从而最大限度地降低所需的上电稳定时间。该模块仅为25.5 x 16.7 mm（厚度仅为11 mm），因此可轻松适应许多尺寸受限的应用。传感器模块具有2.7至3.6 V的工作电压，工作温度范围扩展（-40°至+ 105°C），Zilog还提供ZMOTION开发套件（图3）。

图3：用于占用感应应用的ZMOTION开发套件。

有许多商业，医疗和工业环境依赖于电源有限的低压传感器。霍尼韦尔（中国）的HIH-5030/5031系列低压湿度传感器的工作电压低至2.7 VDC，通常是电池供电系统（标称电压为3 VDC）的理想选择。

HIH-5030/5031系列湿度传感器专为大批量OEM用户设计。通过该传感器的近线性电压输出，可以直接输入控制器或其他设备。 HIH系列的典型电流消耗仅为200 A，非常适合许多低功耗，电池供电的系统。

有时，应用程序的大小限制决定了传感器必须具有的低功耗。在图像传感领域，具有图像稳定功能的OmniVisionOV3640¼英寸高性能300万像素相机传感器和MIPI是一款功能丰富的CMOS CameraChip传感器，采用¼英寸光学格式。它基于OmniVision的1.75μmOmniPixel3架构，具有超高堆叠高度（ULSH），具有出色的低光灵敏度（500 mV/lux-s），并显着改善了噪声和动态范围（65 dB）。

高度集成的OV3640（图4）采用了先进的图像信号处理器（ISP），具有新功能，例如不需要外部元件的图像稳定/防抖（AS）引擎，同时还降低了功耗。嵌入式微控制器支持内部自动对焦（AF）引擎，可编程通用I/O模块支持外部自动对焦控制。

图4：OV3640功能框图。

OV3640还包含集成压缩引擎（JPEG），简化了带宽受限的接口。它足够小，可以安装标准的8 x 8 mm固定焦点插座以及8.5 x 8.5 mm AF插座，非常适合现有低百万像素照相手机设计中使用的现有相机模块的直接升级。

超低功耗OV3640的应用包括手机，玩具，PC多媒体和数码相机。

技术进步

与Imec，比利时鲁汶研究中心，代尔夫特理工大学和埃因霍温科技大学合作，研发机构霍尔斯特中心最近提供了下一代动力的预览 - 通过显示自校准传感器设备来节省传感器，该传感器设备能够以比当前最先进的解决方案更低的输入功率水平收集RF能量。欧洲868 MHz ISM频段的消声室测量结果显示，1 V输出灵敏度为26.3 dBm，而1.78 W RF源灵敏度为25 m。据报道，收割机的最大端到端功率转换效率为31.5％。

RF能量采集器的关键构建模块是五级交叉连接桥式整流器，高Q天线和7位电容器组。整流器通过电容器组与天线共振。添加控制回路以补偿天线整流器接口的任何变化并被动地增强天线电压以增强灵敏度。电容器组和整流器采用标准的90 nm CMOS技术实现，并受到ESD保护。有源芯片面积仅占0.029mm²。

霍尔斯特的研究人员表示，这种设计克服了现有射频能量采集器的一些局限性。今天的射频收割机要么灵敏度差，要么需要校准，需要特殊的技术工艺，要么是大芯片/天线区域。与现有解决方案相比，新设备消耗更小的天线面积，有利于需要小尺寸的应用（例如传感器），同时以较低的频率工作。由于其灵敏度和无线范围性能，现在可以通过RF源覆盖增加的面积。这进一步使该装置适用于在其他能源（例如光，振动）的应用中为小型传感器系统供电。或热梯度不可用。预计它还将为从环境Wi-Fi或GSM信号中获取传感器的RF能量铺平道路。