0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

嵌入式处理器的能量收集

李泳瑜 来源:STEPHAN OHR 作者:STEPHAN OHR 2022-08-10 11:34 次阅读

如果它不是机器人或机床,那么您的物联网项目很可能是(或包含)远程传感器节点。它可能会使用小型电池为自己供电。理想情况下,物联网项目中能量收集的目标是完全消除电池。更有可能的是,能源将被要求补充电池的输出;使其使用时间更长。因此,能量收集的发展有两个重点:一方面,我们正在研究能量转换本身(不是一项成熟的技术,但它不会很快离开我们)。另一方面,我们正在研究超低功耗传感器节点组件,其纳安级功耗对电池寿命的影响最小。

具有讽刺意味的是,一些远程传感器节点被称为“能量收集器”(公司产品文献中的“EH”)。他们使用以最小电流运行的组件,例如以每 MHz 微安运行的微控制器。EH 开发套件的宣传主题不是将环境能量转换为可用直流电压的技术,而是系统组件——传感器、信号调节 IC、微功率控制器通信端口——其超低功耗使电池实际上过时的。

事实是,能量收集技术实际上仍处于起步阶段,尽管有几种不断发展的技术:例如,光伏电池板可用于大规模电力转换。目前,屋顶太阳能电池板可以转换足够的能量来为家庭或办公室供电。但大规模储能仍然是一个挑战。电容式存储系统——有些像自卸卡车一样大——提供可用的长期能量存储,但对于移动系统(嵌入式)来说,它们几乎不便携。

能量收集技术仍然是能量收集传感器尺寸的关键。高功率系统依赖于更大的能量转换器:太阳能电池每平方厘米提供 100 mW 的功率——这个正方形足以为袖珍计算器供电。但是你可以通过收获收集的能量从那里开始下降。热梯度采集器每平方厘米提供 10 mW;振动(压电)每平方提供 100 微瓦 (100µW)。射频RF) 能量收集器——似乎很受欢迎,因为要收集的能量太多了——每平方厘米产生 0.1 µW(100 皮瓦)。

能量收集技术 虽然不是特别高,但环境能量转换器的效率取决于它们运行的环境。完全荒谬的是,虽然可以(使用染料升华技术,DSSC)调整太阳能转换器对室内照明波长的灵敏度,但您不会从锁定在室内壁橱中的太阳能电池中获取太多能量,例如荧光管发出的那些(约 600 nm)。

压电设备(不同金属的“三明治”)可以通过机械变形产生可用电压,但与传感器的面积和变形相比,所收集的电力仍然非常小。你可以用鞋子里的压电设备产生的能量给手机电池充电,但这是一个星期的努力。

据英国博尔顿大学的研究人员称,压电纤维可以制造发电织物。

热梯度是一种不同类型的“三明治”,它声称具有高转换效率和高输出。它使用塞贝克效应,将半导体夹在热板和冷板之间。虽然倡导者声称转换效率很高,但收集的电量是冷热板的函数——它们的大小以及冷热金属之间的温差。差值越大,可用电能的量就越大。但是这种类型的能量转换在温差很大的地方效果最好——比如加拿大北极地区的热板。

压电能量收集器的应用包括运动组件和振动监视器。无线 HVAC 传感器和移动资产跟踪在制造商的产品文献中被确定为可行的传感器;压电设备似乎更适合感测机械力和变形,而不是气体条件(如温度和湿度)。

智能建筑应用 智能建筑 的能量收集器主要是 HVAC 传感器,用于监控会议室的占用情况(红外功能)以及空气温度、湿度和二氧化碳含量。其他智能建筑传感器监控照明(包括窗户灯、房间灯和窗帘控制)。安全传感器查看非法房间占用和入侵。公用事业监控执行抄表和电力使用的非高峰控制。提供“平台即服务”(PaaS) 的 EH 系统与云服务交互,从而实现蓝牙和其他网络通信。

邮箱功能(如设备服务标签)与微控制器配合使用。对于数据记录应用,EH 模块将支持冷冻食品运输的冷链时间和温度监测。医疗应用包括智能贴片,其中传感器查看血糖、体温、湿度、pH 值和氧气。(例如,德州仪器公司的 Web 上提供了气体检测器参考设计。)

另一个有趣的趋势是使用需要降低功耗的微型嵌入式电池。与 Cymbet 生产的硅电池一样,硅电池将从各种来源进行电路充电(见图2)。

poYBAGLzIh2AWcLrAAIW5di7pgE694.png

图 2:零功率传感器可以从几乎任何环境中获取能量。能源包括光、振动、流动、运动、压力、磁场和射频。

保持小 作为一项技术发展,模拟半导体制造商已将研发精力放在超低功率半导体上,而不是太阳能电池或特殊调谐的振动传感器上。可穿戴设备、远程传感器节点(包括网状网络)、移动传感器(如气体检测器)和运动检测器需要小型(甚至微观)能量转换器,而不是使用像火车车一样大的采集器。

因此,半导体制造商在其数据表和白皮书中发布的建议强调超低功耗。Analog Devices 的 LTC3588、Maxim 的 MAX17710 或 Texas Instruments 的 bq25504 等信号调理 IC 强调超低电流消耗,即使在多个混合负载下也是如此。例如,3588 的文献表明它针对压电输入进行了优化,尽管它们的高阻抗可以与多种能源一起使用。3588 本质上是一款具有 450nA 静态电流的低功率 AC-DC 转换器。它将接受 2.7 V 至 28 V 的输入,输出低至 1.8 V — 压降不超过 400 mV。

Maxim 声称其 MAX17710 将管理输出电平范围为 1 µW 至 100 mW 的调节不佳的电源。该设备可以从各种能量转换源提供超过 20 mA 的电流。同样,TI 的 BQ25504 本质上是一种超低功耗、高效率 DC-DC,可从低输入源(例如 80 mV)提供连续能量收集。其静态电流小于 330 nA。

EH 处理器 MCU 功耗规范同样侧重于超低功耗应用。从技术上讲,功耗是消耗的电流(微安或纳安)乘以产生的电压(通常以毫伏为单位)的组合。在能量收集器的接收端,该数字可能以微伏为单位。

常见的物联网设计目标是最小化用于激活节点的设备的尺寸和电流消耗,但这足以为嵌入式电池和/或各种低功耗组件充电。

ARM Cortex M的各种变体宣扬其看似无穷小的功耗:例如,Atmel 32位ARM Cor皮质M0+在主动处理模式下的功耗为35µA/MHz。处理器在睡眠模式下总共消耗200 nA。Ars Technica说,如果我们谈论的是保持电池寿命,这种微控制器的低功耗将使这种能力不仅持续数年,而且持续数十年。

另一个例子,赛普拉斯半导体的无线传感器能量收集 PMIC 具有长间隔中断定时器模式,可以通过长时间待机来延长电池寿命。它与赛普拉斯 PSoC 等低功耗微控制器一起运行。

Texas Instruments 自己的 ARM Cortex M 版本 MSP432 拥有 80µA/MHz 的有效电流消耗和 660nA 的待机电流消耗。

当然,TI 在有关微控制器功耗的教程中建议,实际处理器功耗反映了几个不同操作阶段的聚合。这些将包括活动和睡眠模式。在嵌入式系统应用中,微控制器可能在其生命周期的大部分时间里处于休眠状态。睡眠模式功耗可能是更有用的规范,而不是对多 MHz 时钟的响应。

因此,延长电池寿命似乎完全取决于睡眠和活动时间的比例。TI 建议微控制器功耗“不是一个数字”。

审核编辑:郭婷

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 传感器
    +关注

    关注

    2513

    文章

    47513

    浏览量

    738258
  • 处理器
    +关注

    关注

    68

    文章

    17934

    浏览量

    221419
  • 嵌入式
    +关注

    关注

    4957

    文章

    18115

    浏览量

    285831
收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    基于嵌入式RISC-V处理器核轻松实现DSP扩展设计

    基于已开发的嵌入式或应用处理器核 (如L31等)
    的头像 发表于 02-28 13:35 351次阅读
    基于<b class='flag-5'>嵌入式</b>RISC-V<b class='flag-5'>处理器</b>核轻松实现DSP扩展设计

    嵌入式软件开发应该掌握哪些知识?

    和 Thumb 模式的区别,以及 ARM Cortex 系列处理器的特性。 嵌入式 ARM 开发:学习如何在嵌入式系统中使用 ARM 处理器进行开发,包括交叉编译工具链的配置、裸机编程
    发表于 02-19 11:23

    嵌入式学习步骤

    语言编写。但是,有些嵌入式系统也使用其他编程语言,例如Python或Java。 (3).了解硬件:深入了解您要控制的硬件设备的功能和特性。您需要了解嵌入式系统的处理器、内存、I/O端口、传感
    发表于 02-02 15:24

    嵌入式处理器简介和种类

    嵌入式处理器嵌入式系统的核心,是控制、辅助系统运行的硬件单元。范围极其广阔,从最初的4位处理器,目前仍在大规模应用的8位单片机,到最新的受到广泛青睐的32位,64位
    的头像 发表于 12-26 12:26 402次阅读

    基于ARM的嵌入式电机控制处理器构建的模型设计平台

    电子发烧友网站提供《基于ARM的嵌入式电机控制处理器构建的模型设计平台.pdf》资料免费下载
    发表于 11-24 14:39 0次下载
    基于ARM的<b class='flag-5'>嵌入式</b>电机控制<b class='flag-5'>处理器</b>构建的模型设计平台

    AMD 推出 Ryzen 嵌入式 7000 系列处理器

    NEWS TODAY  锐龙嵌入式 7000 系列处理器可提供领先的性能与高级功能,不断壮大的合作伙伴生态系统包括研华、ASRock和友通 2023 年 11 月 14 日,纽伦堡 — AMD
    的头像 发表于 11-15 09:10 278次阅读
    AMD 推出 Ryzen <b class='flag-5'>嵌入式</b> 7000 系列<b class='flag-5'>处理器</b>

    嵌入式微处理器的电能收集充电器电路

    电子发烧友网站提供《嵌入式微处理器的电能收集充电器电路.pdf》资料免费下载
    发表于 10-11 15:04 1次下载
    <b class='flag-5'>嵌入式微处理器</b>的电能<b class='flag-5'>收集</b>充电器电路

    基于ARM处理器嵌入式WEB服务器设计

    电子发烧友网站提供《基于ARM处理器嵌入式WEB服务器设计.pdf》资料免费下载
    发表于 10-11 11:38 0次下载
    基于ARM<b class='flag-5'>处理器</b>的<b class='flag-5'>嵌入式</b>WEB服务器设计

    嵌入式编程和微控制应用

    对AtmelAVRRISC处理器的介绍,读者会立即进入嵌入式C语言教程之中。在本书中,读者将学习C语言的变量和常量、运算符和表达式、控制语句、指针和数组、存储类型、预处理指令、实时方
    发表于 09-20 07:52

    Arm编译嵌入式FuSa 6.16.2版LTS用户指南

    用于Embedded FUSA 6的ARM®编译是ARM为ARM®Cortex®和ARM®Neoverse®处理器提供的最先进的C和C++编译工具链。 嵌入式FUSA 6的ARM编译
    发表于 08-18 06:42

    嵌入式交叉触发技术参考手册

    ARM调试系统包含许多片上系统(SoC)外围设备 由ARM指定。示例系统可以由以下块组成: •嵌入式微量宏细胞(ETM) •嵌入式跟踪缓冲区(ETB) •嵌入式交叉触发(ECT) •
    发表于 08-02 11:49

    嵌入式处理器有哪些种类 目前主流的嵌入式处理器架构有哪些

     嵌入式处理器是专门设计用于嵌入式系统的微处理器,它们通常具有低功耗、小尺寸和多种集成功能的特点。以下是一些常见的嵌入式
    发表于 07-24 14:57 5324次阅读

    运行嵌入式Linux的I.MX 6ULL​​处理器,是否可以使用shell脚本调用这些设备并查看它们产生的结果?

    我有一个运行嵌入式 Linux 的 I.MX 6ULL​​ 处理器。该板配备了硬件随机数发生。查看屏幕截图,您会看到有hwrng、random和urandom设备。其中哪一个是实际的 hrng 设备。 是否可以使用 shel
    发表于 04-28 07:06

    嵌入式C预处理器的基本概念和常用指令

    嵌入式系统开发中,C预处理器是非常重要的一部分,可以在编译之前对源代码进行宏替换、条件编译和包含等处理。在本文中,我们将介绍嵌入式C预处理器
    的头像 发表于 04-13 16:11 634次阅读

    嵌入式处理器分为哪四类

    嵌入式微处理器是由**通用计算机中的CPU演变**而来的。它的特征是具有 **32位以上的处理器** ,具有较高的性能,当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不同的是,在实际嵌入式应用
    的头像 发表于 04-13 15:24 5614次阅读