無限時運行--采用XLP PIC MCU 的能量收集应用

© 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 1 C12L13 EHS 无限时运行——采用XLP PIC® MCU的能量收集应用 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 2 目标  学习完本课程后您将学会：  存在哪些能量收集（EH）源  使用EH源的设计技术  EH应用的挑战和要求 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 3 课程安排  能量收集简介  EH源  EH功率管理  充电状态监视  演示  总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 4 能量收集简介 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 5 什么是能量收集？  嵌入式系统由环境中的能源供电  不采用能量收集的应用  感应充电系统  大规模发电机 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 6 什么是能量收集？ © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 7 我要做什么？  构建监视传感器网络 成本 实现 有线传感器 最初成本最高 运行成本适中 简单 可靠 安装成本非常高 电池供电的无线传 感器 最初成本最低 运行成本最高 简单 比有线传感器便宜 需经常替换电池 能量收集无线传感 器 最初成本较高 运行成本最低 设计较为复杂 生命周期中的运行成本最低 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 8 EH的应用场合  可利用环境中能源的低功耗应用 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 9 能量收集源 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 10 能量收集源  光线  温度  运动  RF © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 11 EH源 光线  光伏太阳能电池  室外： 10 mW/cm2  室内： 1 mW/cm2 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 12 EH源 光线  光伏太阳能电池  低至中等功率  低成本  调理要求  最大功率点跟踪  升压  示例  计算器  交通信号灯  庭院照明 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 13 EH源 温度  热电发电机– Seebeck效应  性能  高功率  中到高成本 From: Wikipedia (Thermoelectric Effect) )()( 12 TTSSV AB  © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 14 EH源 温度  要求  温度系数匹配  需要升压和阻抗匹配  需要较大的占板空间（TEG和散热片）  示例  驱蚊器  工业传感器 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 15 EH源 运动  压电式振动能量采集器  随机—— 低功耗  谐振—— 中等功耗  中到高成本  其他源  电磁式  静电式 From: Wikipedia (Piezoelectricity) From: Mide Volture Datasheet © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 16 EH源 运动  要求  自限性振动源的振荡频率  整流、限压和降压电源  示例  车窗破裂传感器  应变/振动传感器 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 17 EH源 RF  无线功率接收机  环境（蜂窝/WiFi）—— 功耗极低（nW-uW）  发射 —— 低功耗（uW-mW）  中到高成本  要求  合适的RF阻抗匹配  实际使用时需要接收机IC  示例  构建自动化WSN  RFID资产追踪  收费系统 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 18 EH源 比较 典型成本 功率 备注 太阳能 -室内 -室外 $0.20/uW $0.20/mW ~1.0-1.5 V/节 10 uW/cm2 10 mW/cm2 - 输出功率有限（室内） - 实际输出功率并不恒定 温度 $0.50/mW ~ 1 V @ 10 K 1 mW/(K*cm2) - 散热片的体积/成本未计算在内 - 可靠且功率高 压电 -谐振 -随机 $20/mW ~ 25 VAC 0.1-0.5 mW/cm2 ~1 uW/cm2 - 批量订购定价高 - 谐振：振动加速度为1g - 随机：低功耗且一致性差 RF $30/mW 稳压 1 mW（距离2m 时） 10 uW（距离 10m时） - 采用6 dBi增益天线时的发射功率为 3W - 低功率输出 - 批量订购定价低 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 19 电源管理 调理和消耗 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 20 电源管理  阻抗匹配  为了获得最大的输出功率，需要能量收集器的源 阻抗和负载阻抗匹配  负载阻抗的变化非常大  将负载和阻抗匹配PMIC的输入隔离 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 21 电源管理  升压和降压电路 MCP1640 收 集 器 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 22 电源管理IC  Microchip - MCP1623/40升压稳压器  针对单节碱性电池应用而设计，但仍可用于低电压 EH源  可用来将EH的电压从0.6V升压至1.5V  这两款稳压器均在电压约为0.6V时启动  在关断前，会将电压降至约0.3V  Linear Technology LTC3588-1  压电式能量收集电源  Maxim Integrated Products MAX17710  能量收集充电器和保护器 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 23 储能方法  电容  超级电容  电解电容  陶瓷电容  二次电池  镍铬/镍氢电池  锂离子/锂聚合物电池  铅酸电池  薄膜锂电池 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 24 薄膜锂电池  专为能量收集应用设计  低泄漏电流（<10 nA）  小体积  高效  良好的温度性能  局限性  高阻抗  当VBAT <2.0V 时，电池会损坏 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 25 各种储能方法的比较 电容 电池 电解电容/陶瓷电容 超级电容 二次电池 薄膜电池 成本/每瓦时成本 低/高 中等/中等 低/低 高/非常高 体积 小 中等 大 小 电压特性曲线 倾斜 倾斜 平坦 平坦 阻抗 低 低 中等 中等 泄漏电流 低 中等 中等 非常低 充电速率 快 快 慢 中等 放电 深度 深度 混合 受限 充放电次数 无限 无限 约500次 5k-10k 寿命 无限 约7年 约5年 >15年 温度范围 -40°至105° -20°至70° ~0°至60° -40°至85° © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 26 功耗管理  最小化CPU运行时间  快速时钟可能更高效  高阻抗源可能有必要使用慢速时钟  等待事件发生时使用休眠模式  采用双速启动来缩短运行时间 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 27 功耗管理  采用有源电压控制降低系统工作电压 收 集 器 MCP1640 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 28 功耗管理  可能的话禁止外部电路  使用未用的I/O引脚作为外部器件的电源引 脚  使外部器件进入休眠模式 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 29 功耗管理  缩短连续工作器件的实际工作时间  增加上拉阻抗  功耗管理技巧与诀窍中有更多好主 意 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 30 功耗管理  可能的话禁止外部电路  使用未用的I/O引脚作为外部器件的电源 引脚  使外部器件进入休眠模式  缩短连续工作器件的实际工作时间  增加上拉阻抗  功耗管理技巧与诀窍中有更多好主意 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 31 功率管理 充电状态监视 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 32 什么是充电状态监视？ 能量输入 能量输出 可用能量 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 33 为什么实现SoCM？  提供可靠工作  EH输入功率差异  忽高忽低或不一致（压电）  一致但有限制（RF和温度）  应用功耗差异  允许灵活执行  使能前摄性故障响应 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 34 SoCM公式 E = EINIT + EIN – EOUT  E = 系统的当前能量  EINIT = 最初存储的能量  EIN = 捕捉和收集器收集的能量  EOUT = 系统使用的能量 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 35 SoCM公式  EIN的组成  来自收集器的输入能量  能量捕捉的效率  存储介质的效率  EOUT的组成  应用的功耗  泄漏电流  ESR损耗 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 36 基本SoCM应用算法 确定收集器 状态 确定可用 能量 做出运行时 决定 执行应用 休眠 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 37 SoCM方法 确定EIN  储能器件的ΔV  对于电容和一些电池 有用  对于许多锂化学电池 无用  测量收集器的输出功率  RF – RSSI测量  温度 –传感器的VOUT  太阳能 –充电时间  压电 –记录振动事件 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 38 SoCM方法 确定EOUT  描述系统功耗特性  峰值功率  典型回路功率  温度导致的系统 泄漏电流  系统各功能的能量使用  在执行过程中监视VDD © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 39 SoCM方法 储能注意事项  浪涌电流拉电流能力  电容ESR  最大电流受限的薄膜电池  最小工作电压  小于VMIN的电容电压不可用  具有高截止电压的薄膜电池 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 40 SoCM方法 处理低能量  暂时低能量状态  缩短实际工作时间  发送低功率警告  紧急低能量状态  禁止大多数功能并进入休眠模式  关断系统 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 41 SoCM示例 太阳能传感器节点 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 42 SoCM 示例 太阳能传感器节点（续）  采用的技术  收集器给出的充电信号  太阳能电池的电池充电特性  跟踪有和没有太阳能时的环路数  监视执行期间的VDD  低VDD或电池电平时的临界低功率状态 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 43 演示 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 44 演示  Cymbet太阳能收集器  Powercast无线传感器  压电演示  热电发电机演示 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 45 总结  今天我们讲述了：  EH源和功率管理技术  EH应用要求  充电状态监视  EH演示 © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 46 其他资源  1573 XLP –电池选择  1574 XLP –低功耗设计  Microchip EH和XLP网站  microchip.com/energyharvesting  microchip.com/xlp  能量收集合作伙伴  Powercast  Cymbet  Infinite Power Solutions（IPS） © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 47 谢谢！ 注：Microchip的名称和徽标组合为 Microchip Technology Inc. 在美国和其他国家或地区的注册商标。 在此提及的所有其他商标均为各持有公司所有。 问题？ © 2011 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C12L13 EHS Slide 48 商标 Microchip的名称和徽标组合、Microchip徽标、dsPIC、KeeLoq、KeeLoq徽标、 MPLAB、PIC、PICmicro、PICSTART、PIC32徽标、rfPIC和 UNI/O均为 Microchip Technology Inc.在美国和其他国家或地区的注册商标。 FilterLab、Hampshire、HI-TECH C、Linear Active Thermistor、MXDEV、 MXLAB、SEEVAL和The Embedded Control Solutions Company 均为Microchip Technology Inc.在美国的注册商标。 Analog-for-the-Digital Age、Application Maestro、chipKIT、chipKIT徽标、 CodeGuard、dsPICDEM、dsPICDEM.net、dsPICworks、dsSPEAK、ECAN、 ECONOMONITOR、FanSense、HI-TIDE、In-Circuit Serial Programming、ICSP、 Mindi、MiWi、MPASM、MPLAB Certified徽标、MPLIB、MPLINK、mTouch、 Omniscient Code Generation、PICC、PICC-18、PICDEM、PICDEM.net、PICkit、 PICtail、REAL ICE、rfLAB、Select Mode、Total Endurance、TSHARC、 UniWinDriver、WiperLock和ZENA均为Microchip Technology Inc.在美国和其他 国家或地区的商标。 SQTP是Microchip Technology Inc.在美国的服务标记。 在此提及的所有其他商标均为各持有公司所有。 ©2011, Microchip Technology Inc.版权所有。