用于能量收集应用设计的开发套件介绍

“零功率”设备使用来自环境源的能量，带来了重大的电源管理挑战。能够有效收集能量的电路必须响应不断变化的电力需求，同时消耗可忽略的能量。通过使用开发套件，工程师可以快速获得设计能量收集应用的经验并加速新产品开发。能量收集开发套件通常提供完整的零功率样品应用设计，可从Cymbet，EnOcean，Microchip，Silicon Labs和Texas Instruments等供应商处获得。

能量收集设计需要特别注意待机和峰值功率需求，因为它们所依赖的环境源仅提供微瓦的瞬时功率（见图1）。待机模式下的有效设计必须为应用提供足够的功率，并且通常还必须为具有低自放电的电力存储设备充电，例如薄膜电池，超级电容器或两者。

在高需求期间，存储设备必须提供足够的容量来处理峰值负载，并仍保留足够的电量以安全地返回待机模式。在一些能量收集应用中，峰值功率需求可能很大。例如，在设备必须对传感器进行采样并同时传输数据的时段期间，零功率无线传感器通常需要超过10mA，这远远高于可直接从环境源获得的功率水平。

图1：能量收集设计主要是能源管理的一项练习，需要能够使用薄膜器件处理能量输入，功率输出和能量存储的高效电路或超级电容器。 （来源：SiLabs。）工程师熟悉设计有效功率预算的挑战。然而，能量收集产生了关于如何平衡能量可用性和电力利用率的新问题。特别是，工程师需要关注系统初始化需求，特别是在冷启动期间，当能量收集系统启动或重启而没有存储电源时。出现这种情况是因为设备已关闭或因为其主要能源长时间不可用。例如，光源无线传感器在黑暗中长时间后必须冷启动。

要成功管理冷启动，工程师必须设计具有启动程序的应用程序，能够延迟耗电的初始化程序，直到功率水平达到所需阈值。例如，设计可能需要在首次上电时立即切换到低功耗状态，然后等待能量收集子系统累积足够的功率进行初始化以安全地继续完成，或者继续进行下一步的初始化序列。

随着能源的出现，工程师可以按要求的顺序开启不同的子系统，以维持进一步的能量收集和应用处理。例如，许多用于能量收集应用的半导体器件包括用信号通知可用能量已达到某个阈值的电路的机制。反过来，微控制器单元（MCU）或其他控制电路可以使用这些信号来实现具有单独功率利用水平的更复杂的活动序列。

能量收集设计套件为这些关键电源管理问题提供经过验证的硬件和软件解决方案。软件开发资源为工程师提供了监控能源生产的机制，并尝试使用替代方案来平衡能源使用和收集。大多数工具包都预先配置了特定的应用程序，或提供详细的设计信息来构建一个。

例如，德州仪器（TI）将其eZ430-RF2500-SEH传感器监视器预先配置为零功率无线传感器节点。工程师可以监控节点在个人计算机上的活动。除了基于微控制器的完整硬件补充 - 包括太阳能电池板和一对EnerChip薄膜可充电存储设备 - TI还为该套件预装了可编程无线温度传感器节点的固件。节点可以测量自己的温度，从其他节点接收数据，并通过套件提供的USB连接将数据传输到PC。 TI的套件通过充电控制模块满足能量收集的特定电源管理需求，该模块可持续监控升压转换器的输出并管理电池充电和放电周期（参见图2）。

图2：太阳能收集模块是德州仪器（TI）eZ430-RF2500-SEH开发套件的核心，依靠电源管理模块来防止存储设备在低光照条件下放电过深。来源：德州仪器（TI）

Microchip提供一对能量收集开发套件：用于射频能量收集的TPWR001套件和用于太阳能收集的DV164133套件。 TPWR001设计为使用环境射频能量的完整无线应用，可为RF传感器，温度传感器，楼宇自动化和安全等低功耗应用提供服务。该套件包括一个3 W Powercaster变送器作为电源，带有两个P2110 Powerharvester接收器评估板，两个定制设计的无线传感器板，一个IEEE 802.15.4收发器和预先配置了无线传感器的Microchip PIC 16位MCU开发板应用软件。该套件通过Microchip免费的MPLAB集成开发环境（IDE）和PICkit 3编程器和调试器支持软件开发和编程。

Microchip包括两个带有DV164133套件的Cymbet EnerChip设备，以及适用于室内或室外灯的太阳能电池板。该套件依靠其PIC24F MCU来监控基于Microchip和Cymbet开发的Energy Aware软件算法的功率调节和容量。使用套件的USB连接将数据传输到PC，工程师可以探索通过能量收集平衡功率和优化功率使用的替代方案。

除了自己的EDK 300基线开发套件外，EnOcean还提供一系列用于不同类型能源的附加装置，包括环境太阳能和热源。工程师可以从EnOcean EDK 300或300C基本开发套件开始，并通过EDK 310 Solar Developer套件升级或EDK 312 Thermo Developer套件升级扩展设计。 EnOcean的套件包括应用程序编程接口，可以访问EnOcean Dolphin软件堆栈和支持函数库（参见图3）。

图3：EnOcean的开发套件包括与其Dolphin平台接口的应用程序编程以及从电路板支持到电源管理的软件堆栈。 （资料来源：EnOcean。）

Cymbet将CBC-EVAL-09设计为通用能量收集评估套件，工程师可将其连接到各种能量传感器，例如随套件提供的太阳能电池。该套件包括Cymbet的EnerChip EP CBC915-ACA能量处理器和EnerChip CBC51100100μAh固态电池模块，该模块包含一对并联50μAh的EnerChip器件。

Silicon Labs（SiLabs）ENERGY-HARVEST-RD套件是基于SiLabs无线设备的超低功耗无线传感器的参考设计。除了用于数据通信的无线加密狗外，该套件还包括一个基于该公司Si1012无线MCU的无线传感器节点。该设计使用太阳能收集，仅需50 lux即可在待机模式下运行。这使得工程师可以尝试在低光照条件下长期运行的设计。

能量收集在零功率设计方面具有巨大潜力，例如无线传感器节点，温度传感器和安全设备。设计有效的能量收集解决方案需要克服熟悉的电源管理挑战。能量收集开发套件提供了一种快速获得设计能量收集系统（包括半导体设备）经验的有效方法。