广告

低功率优化采用无电池设计的能量采集BLE Beacon

时间:2016-08-12 作者:Rohit Kumar 阅读:
智能手机等设备为我们的日常生活带来了许多重要改变。我们经常透过手机取得能够直接且实时影响我们的生活、关系到我们的健康、环境甚至购物方式的信息...
广告

智能手机等设备为我们的日常生活带来了许多重要改变。我们经常透过手机取得能够直接且实时影响我们的生活、关系到我们的健康、环境甚至购物方式的信息...

然而,大多数的信息必须被“拉”出来,即透过与另一个设备联机或在网络上进行搜寻而取得信息。这些方法要求用户必须在需要信息时开启一项行动。但是,用户有时甚至不知道要找什么或到何处去找,例如当他们在商店中寻找某款产品的售价时。

其解决之道就在于拥有一个能够向用户实时“推送”消息的系统。由于智能型手机是向用户发送信息的最佳途径,该系统必须能毫无阻碍地更有效率为其传送信息。此时,就是Beacon的用武之地。

在无线技术中,Beacon是一种播送消息的系统,目的在于让附近的用户设备接收到这些消息。Beacon能够轻而易举地向用户设备传送数据,而且无需用户操作。智能型手机等现有设备支持可用于实现Beacon功能的各种方法。为了确保Beacon得到广泛运用,其中包括得到主流设备的支持、互操作性、低安装成本和低功耗作业,蓝牙低功耗(BLE)将成为实现Beacon通讯的理想选择。

BLE被广泛运用于需要在较小范围传送数据的低功耗无线通信应用。无线传感器节点(WSN)就是一个例子。从传感器中读取的数据通常被传送到智能型手机。在这些传感器节点中的典型应用流程如图1所示:
20160812 Cypress TA31P1
图1:BLE传感器设备中的典型流程

这些Beacon/传感器需要由某种能源供电,以确保能够连续执行和维持整体设备的尺寸。使用有线电源为这些传感器供电一般不具可行性,因为这些传感器通常不是位于人体上就是在远程;因此使用线缆供电的设计行不通。电池供电型传感器存在电池寿命有限、需要频繁充电,以及处理时破坏环境等问题。

如果我们真的想要无需任何维护的Beacon,就需要使用来自光、动作、压力或热量等周遭环境中未被利用的能量。这能够实现“安装后即无需打理”(install-and-forget)的功能,使Beacon在整个设备生命周期内都能得到供电。

这就是能量采集技术可发挥作用之处。能量采集是指从周围环境中采集未被利用的能量并进行储存。所储存的能量可用于为WSN设备供电、采集传感器数据,并透过BLE传输数据。
20160812 Cypress TA31P2

  • 图2:基于能量采集技术的WSN设备架构图*

能量采集系统(EHS)是一个包括能量采集组件(EHD)、能量采集PMIC和储能组件的电路。能量采集PMIC使用由EHD(如太阳能电池、振动传感器或压电组件)提供的能量为储能组件(通常是电容器)进行“涓流”充电。然后EHS使用所储存的电荷为另一个嵌入式设备提供能量。EHS的输出功率随WSN的状态变化而改变。当WSN处于主动状态时会消耗能量,EHS的输出电压开始下降。当它处于低功耗状态时,由于储能组件得到充电,EHS的输出电压开始升高。图3显示EHS的输出电压随嵌入式设备状态变化而改变的过程。
20160812 Cypress TA31P3
图3:能量采集系统的输出电压随设备状态变化而改变

对于EHS供电设备而言,主动状态下所消耗的能量不应超过EHS中的可用能量。图4显示在一个EHS供电型系统中,其主动状态下的能耗超过了EHS所能提供的能量。EHS的输出电压逐渐下降,直到完全停止输出。
20160812 Cypress TA31P4
图4 :WSN因电能不足导致关机

图5-8显示以能量采集供电的BLE传感器节点,在各种作业时的示波器屏幕截图细节。
20160812 Cypress TA31P5

  • 图5:EHS的输出电压随CPU活动过程而变化*

图5中的黄色信号是EHS输出电压,绿色信号是嵌入式设备消耗的电流。绿色峰值是CPU活动期间的电流消耗,平直信号是设备处于低功耗模式时的电流消耗。

值得注意的是,由于能量被消耗,EHS的输出电压在每次CPU活动时(绿色峰值信号)都会下降。此外,电压会在低功耗状态期间恢复,这是因为EHS为储能组件进行了充电。
20160812 Cypress TA31P6
图6:在EHS内部无法对储能组件进行充电时,EHS的输出电压随CPU活动而变化

图6中值得注意的是,由于能量被耗尽,电压降至截止电压以下,此时,EHS输出电压会被关闭。
20160812 Cypress TA31P7
图7:在设备开机时的电流消耗(绿色信号)
20160812 Cypress TA31P8
图8:以能量采集组件供电的BLE在Beacon中的传输活动

EHS中存在有限的功耗预算,意味着嵌入式系统的各方面都应该实现能量优化,才能在EHS的供电下无缝运作。此类系统中有很多子系统,它们可能非常耗电,需要得到优化才能确保不至于拉低EHS的输出电压。功耗优化的关键领域包括:

CPU的频率频率

系统频率频率决定了例行任务的处理速度以及期间所消耗的能量。频率越快意味着处理速度越快,但电流消耗也越高。此外,每个设备都有最低和最高时的脉频率要求,不能超出该要求。

针对基于EHS的设计,可以根据以下两个因素选择一个优化的频率频率:

• 平均电流消耗
• 峰值电流消耗

EHS的容量必需兼顾这两个因素。平均电流是主动状态下所需时间的平均电流,而峰值电流则是主动状态下的瞬时最大电流要求,通常高于平均电流。有可能发生的情况是:所需的平均电流就在EHS的容量范围内,但峰值电流将导致EHS突然耗尽能量,从而导致电压降至截止电压以下。请注意,处理时间是平均电流消耗计算的一部份。

图9和图10显示一次例行处理任务在两种不同频率下(图9是48MHz,图10是12MHz)的功耗-时间图。
20160812 Cypress TA31P9
图9:48MHz频率下处理某个例行任务的电流消耗
20160812 Cypress TA31P10
图10:12MHz频率下处理某个例行任务的电流消耗

在此例中,48MHz频率下处理的例行任务使用大约不到300μs的时间完成,并在此期间消耗了约10mA的电流。12MHz频率下处理的例行任务使用了1.1ms的时间完成,并在此期间仅消耗4mA的电流。这一过程在12MHz时的平均电流消耗更高,但峰值电流要求却更低。取决于EHS的容量,我们可以采用一个较短的48MHz频率设置,或一个较长的12MHz频率设置,或结合采用两者,让频率频率在不同的过程之间来回切换。在选择优化的系统频率时,应该考虑到这样的电流配置。

启动低功耗设备

嵌入式设备获得供电后,它必须先完成开机启动程序,然后才能执行应用程序代码。一个典型的开机程序包括:

• 初始化内存
• 设置中断向量
• 配置外围和通用缓存器
• 初始化外部频率(如果有的话)

这四个步骤的每一步都占用了CPU处理时间才能完成,因此也消耗了能量。所消耗的能量取决于所使用的设备、系统频率频率、初始化的内存/缓存器设置多大容量,以及设置外部频率所需的时间。因此,开机过程将消耗大量电能,必须得到优化才能确保不消耗过多的能量采集器输出。编写开机程序代码时应考虑以下因素:

• 只初始化那些将被使用的内存和缓存器部份,其它部份维持原始设定值。
• 大多数无线系统需要高精确度的外部频率。这些外部频率(如外部频率振荡器和手表晶体振荡器)在开机后会有一个较长的稳定时间。我们不应该让系统在主动状态下等待频率稳定下来,而是必须让系统处于低功耗模式(睡眠/深度睡眠状态),只在准备使用时再唤醒它。我们可以使用一个内部定时器来实现这个目的。

低功耗系统启动

一旦设备开始执行应用程序代码,通常需要启动系统中的各个外围设备。这些外围设备可能位于设备内部,如ADC,也可能位于设备之外,如某个传感器。单个外围设备的启动时间可能不长,但所有外围设备的总处理时间可能长到足以耗尽EHS中储存的能量。

我们应该计算指定CPU频率下的外围设备启动时间,然后确定启动所有外围设备所需的能量预算是否可行(较快),或是否需要将启动程序分为多个阶段(较慢)。

分阶段应用处理

设备通常都有不同的应用例行任务,它们需要自己的CPU带宽。这些例行任务可能是为了配置某个外围设备、从传感器接收数据、执行计算,以及管理事件或中断;必须确保处理所用的能量不超过EHS的容量。如果超过了,必须将其分为较小的子例行任务,并分阶段进行管理。这可以让EHS上的负载分成多个可管理的电流脉冲,从而让EHS能够在主动的CPU进程之间进行充电。

此外,在各个阶段之间,应将系统置于低功耗模式,使其得以采用计数器或Watchdog定时器为唤醒源作为中断。由于系统必须在该模式下保持较长时间,在此模式时的电流要求应尽可能降低。

无线传输

采集数据后,必须透过无线方式进行传输。此时可以透过BLE连接或BLE播送的方式完成传输,但支持能量采集的Beacon只能采用BLE播送方式,这是因为在使用联机传输数据之前,需要消耗大量的能量才能建立BLE连接。

一般来说,无论是传送(Tx)还是接收(Rx),无线活动都是无线设备中能耗最高的作业。确保BLE活动是一个独立的过程,只有在EHS输出能够提供足够峰值电流时才与其它过程结合。

结语

能量采集器PMIC可以在低电压时启动,并因应不同应用的需求。例如,赛普拉斯(Cypress)基于电源管理IC(PMIC)的能量采集器为无线传感器和网络提供一种免用电池的技术。它兼具精确的输出功率控制和高效率的能量采集功能,使其得以成为小型无线和Beacon应用的理想选择。它可以独立作为电源,或与锂电池等其它采用电池的设备搭配使用,进一步延长了设备的的工作寿命。

例如MB39C831等产品还具备最大功率点追踪(MPPT)功能,可让内部的DC/DC转换器透过追踪输入功率控制输出充电,从而最大程度地提高功率输出。MB39C811等PMIC支持双采集输入,可以从两个不同的来源采集能量。而像S6AE101A等优化PMIC(太阳能或光能EHD优化)具备极低的启动和静态功耗,能够仅使用一个很小的太阳能电池。

免用电池的无线Beacon还必须考虑另一个因素——选择合适的MCU。被整合为SoC等可编程系统且支持各种低功耗模式的MCU是此类应用的理想选择。Cypress的可编程系统单芯片(PSoC)能够与那些可用于连接传感器的各类外围设备密切整合。尤其是PSoC 4 BLE,包含了多个低功耗外围设备以及一个BLE无线单元和BLE协议堆栈,从而提供了真正的单芯片BLE传感器节点。

此外,它还支持超低功耗模式,让设计能与能量采集器、钮扣型电池等小型电源无缝搭配。这些能量采集器外加PSoC可为免用电池型BLE传感器节点应用实现优化设计。

本文授权编译自EE Times,版权所有,谢绝转载

EETC wechat barcode


关注最前沿的电子设计资讯,请关注“电子工程专辑微信公众号”。

本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 一边是芯片IPO受阻,一边是恒大汽车打包出售,巨头跨界玩 丰田宝马车厂减产,比亚迪电子IPO受阻,恒大汽车打包出售,拜腾项目烂尾,巨头跨界高调进军汽车行业,2021年怎么这么多巨头都在有大动作,还都是高调行事,究竟为那般呢?
  • 英飞凌CEO:芯片价格过低将影响厂商扩产积极性 全球性的芯片缺货已经持续近一年了,产能紧张、缺货涨价的事情今年内肯定是解决不了,到2022年能否供需平衡?各方也说法不一。英飞凌CEO就当前情况表态称,如果此时芯片价格过低,那对全球产能提高不利。
  • 拒绝内卷,伏达重新定义功率“触顶”趋势下的充电半导体 为有序使用无线电频谱资源、维护空中电波秩序等原因,工信部无线电管理局在2021年初发布了《无线充电(电力传输)设备无线电管理暂行规定(征求意见稿)》,为无线充电快充比快大赛按下暂停键——规定自2022年1月1日起,所有在国内销售和使用的移动和便携式无线充电设备额定传输功率不得超过50瓦。从有线快充到无线快充,一场愈演愈烈的快充“内卷”化趋势正在迎来减缓的时代,快充停止“比快”后还能如何发展呢?
  • 思远半导体这十年:从创业到TWS耳机电源管理芯片出货量 创业之前的十几年中,董官斌一直不断地换工作岗位,从研发到供应链到销售都有经验的积累,当他觉得准备的差不多了,创业也就水到渠成。回头看这10年,他感觉所有的事情就像发生在昨天,选择电源管理这个领域,是因为电源是所有电子产品最基础的需求……
  • 2023芯片缺货结束后,2024产能就过剩了? 接受《EE Times》采访的分析师指出,最坏的情况可能是当芯片缺货问题在2023年结束,紧接着2024年就会出现产能过剩...
  • 任重道远:构建中国集成电路自主创新产业体系 正如中国集成电路设计创新联盟理事长魏少军教授所言,科技创新,集成电路首当其冲。设计业作为集成电路产业龙头,是技术和产品创新的主要环节,将会被行业越来越关注。任重而道远,对于构建中国集成电路自主创新产业体系而论……
  • 新款iPad Pro 2021成最受欢迎的 由于采用性能相对强大的M1处理器和mini-LED屏幕以及更多的创新,新款iPad Pro 2021已经成为消费者心目中最受欢迎。然而,iPad 2却已经在全球范围内被列入“复古和过时”的名单中。
  • 三星折叠屏手机Galaxy Z Fold 3 目前来看,折叠屏新机作为一种新的生产力工具,逐渐成为高端/平板的一种趋势,有报料称三星的Galaxy Z Fold 3发布时间或为7月,并且会引入新手势操控。

  • ​快人一步,一触即发|芯海科技信号 视频来源:iQOO手机官方微博8月17日晚,iQOO8系列未来电竞旗舰重磅发布,通过屏下双控压感实现更多样的操控体验,双指变四指手速度倍增,在保持机身简洁的同时助你成为自带BUFF的竞技
  • 泰艺电子推出小型化恒温控制晶体振 泰艺电子,频率控制解决方案的领先供货商,推出全新 NN 系列恒温控制晶体振荡器(OCXO),能够满足严格的频率稳定度要求,同时具备优越的相位噪声性能。
广告
热门推荐
广告
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了