Energy Harvesting 能否提供更好的产品跟踪解决方案？

对于其中的许多货物，其中包含的产品对温度和冲击等环境条件很敏感，如果在运输过程中不小心管理，这通常会成为一个问题。鲜花、果蔬、药品等产品每天都在大量运输，但每批货物都需要小心处理，确保它们不会受到物理损坏，并保持在最佳的储存和运输条件下.如果在运输过程中没有以这种方式维护它们，它们可能无法以适合最终客户使用的状态到达最终交货点。对于某些物品（例如药品），它们可能会变得危险，或者至少无效。疫苗是此类物品的完美示例，因为它们必须以正确的方式处理并始终保持在正确的环境条件下，以避免潜在的严重医疗后果。

新一代智能产品，能够跟踪这些包裹并持续监控它们的处理方式和运输过程中的当地环境条件，已经围绕提供详细的运输审计跟踪需求而发展起来。

今天，这种跟踪产品通常由电池供电，能够测量温度和加速度等参数。有些甚至可以在运输过程中跟踪 GPS 位置，并在产品交付后存储信息以备将来检查。确保它们不会以任何方式被篡改或被低成本复制品取代也很重要，尤其是在更有价值的货物的情况下。

然而，这些跟踪器并非没有问题，尤其是在电池技术的使用方面。由于电池可能过热，运输包含电池的产品变得越来越困难，尤其是通过空运。使用电池还意味着必须在每次装运前为电池充电，以确保设备能够在整个装运过程中运行——从初始装运到最终交货。发货的发起人有责任确保设备充电，这个过程总是容易出现人为错误。

在这些情况下，可以在运输过程中从环境中提供能量的设备，可能避免设备包含电池的需要，可以提供理想的解决方案。

让我们更详细地看看如何解决一个典型的问题——在这种情况下，是医药产品在世界各地的可靠运输问题。为了了解问题的严重程度，欧洲各地的医生每年都会开出价值数百万欧元的药物。仅在德国，2017 年就向患者分发了价值超过 400 亿欧元的药物，由此产生的运输成本使年度总账单增加了数十亿欧元。目前估计，这些产品在全球范围内安全运输的总成本在 70 至 800 亿美元之间。

有了这样的成本，我们需要确保每件产品都安全高效地交付给最终用户，并且在运输过程中没有遭受任何降级或被其他产品取代。

使用能量收集为此类运输监控应用提供动力的智能解决方案现在可以通过新一代先进的低功耗嵌入式控制器实现。这些基于瑞萨电子的新型薄埋氧化硅 (SOTB) 工艺技术。与使用传统体硅技术的器件相比，基于 SOTB 工艺的器件的活动和待机功耗显着降低。SOTB 允许开发极低功耗的智能设备，非常适合在运输过程中连续监测温度和加速度等参数。这些器件可以为本地处理和用于应用程序和数据存储的大型片上存储器提供高处理性能。这允许内存包含复杂的应用程序和协议栈，同时为记录的信息提供非易失性数据存储。这一切都可以在使用从环境中收集的能量运行时实现，无需电池。

图 2：SOTB 特性与其他工艺几何结构的比较

在这个新工艺上实现的第一个嵌入式控制器是新的 RE01。该器件可实现约 20 µA/MHz 的有功功耗，工作频率高达 32 MHz，在深度待机模式下漏电流低至 150 nA。这些数字对于具有 1.5 MB 片上闪存和 256 KB 片上 SRAM 的设备来说是无与伦比的。

让我们详细了解一下这项新技术，以及它如何帮助我们实现适合这些 PMA 应用的设备。该技术开发的突破在于能够创建混合硅结构，将新 SOTB 工艺的优势与现有标准体硅技术的优势相结合。我们可以在芯片设计中需要超低功耗的部分使用新的 SOTB 技术。但是，我们仍然可以将标准硅用于 I/O 环和模拟组件以及嵌入式闪存等功能。因此，这些设备仍然具有与当今现有微控制器相似的电气特性。

图 3：SOTB 栅极结构

图 3 显示了 SOTB 栅极结构的一些优势。在传统的体硅栅极设计中，我们在制造过程中将掺杂原子注入硅中，这使得栅极能够在需要时导通。注入每个栅极的原子数量极难准确控制，因此栅极开关特性可能会发生变化，尤其是对于较小的硅几何形状。

SOTB 是一种无掺杂设计，其中栅极特性由栅极内极薄的隔离层控制，其本身受到极好的控制。这意味着每个栅极之间的差异远低于传统的体硅栅极设计。SOTB 器件上栅极之间变化的减少使我们能够大大降低工作电压，从而降低用于切换栅极的能量。其结果是，与采用传统体硅工艺实现的器件相比，采用 SOTB 工艺实现的器件的有源功耗极低。

图 3 还说明了 SOTB 技术的另一个好处。我们可以对每个栅极施加负反向偏置电压，从而可以操纵每个栅极的开关阈值。这大大减少了每个栅极的泄漏，从而降低了待机电流。

新的 RE01 结合了运行频率高达 64 MHz 的 Cortex M0+ 内核与高度的外设集成、高达 1.5 MB 的闪存和 256 KB 的片上 SRAM。图 5 显示了该设备的框图。RE01 还实现了用于低功耗本地显示的 MiPs LCD 接口以及其他有用的功能，例如 USB 接口和非常特殊的超低功耗模数转换器 (ADC)。每个设备还包括一个能量收集控制器 (EHC)，以帮助管理各种收集的电源。

图 4：第一个使用 SOTB 工艺的微控制器

ADC 具有全新的设计，专门开发用于以最少的能量运行，同时仍支持对各种模拟参数的连续感测。

图 5 – 低功耗 ADC 设计

图 5 显示了 ADC 的简化输入图。 ADC 旨在支持高达 14 位的分辨率，从而能够对许多不同的物理参数进行精确测量。这种新型 ADC 设计的主要优势在于，它在 32 kHz 下运行时仅消耗 3 µA，采样率为 1.6k 样本/秒。这种采样率虽然很慢，但足以测量跟踪应用中所需的大多数参数，例如温度和压力，因为它们通常变化非常缓慢。

ADC 还设计为自主运行，无需 CPU 干预，再次最大限度地降低使用时的功耗。这些功能包括用于自动采样多个通道的多种扫描模式、用于提高测量精度的自动平均电路以及比较器功能。当测量值高于、低于或超出预编程范围时，后者会产生中断。

ADC 模块还集成了一个片上温度传感器，可以自动监控以检查出货温度是否超过预定限制。完整的 ADC 子系统是许多跟踪应用的理想解决方案，提供监控和记录影响运输的环境条件所需的所有功能，并最大限度地降低此任务所需的功耗。

RE01 还实现了独特的能量收集控制器 (EHC)，允许从各种不同的可再生能源收集能量，同时允许设备自动控制外部可充电电池或超级电容器。EHC 还可以为无线电和传感器等外部设备供电，以便它们也可以利用收集的能量运行。这有助于开发用于跟踪应用的完整无电池解决方案，这些应用可以完全由各种能量收集解决方案供电，包括在振动和光下运行的收集器。

能量收集应用中任何嵌入式设备的最大问题之一是“浪涌”电流。这是设备最初开启时所需的电流，通常非常大。这里的风险是它淹没了大多数典型的能量收集电源并导致设备运行不正确。在 SOTB 设备上实施的 EHC 专为避免此问题而设计。它的开发目的是管理来自收集电源的少量可用能量，从而使微控制器能够从提供低至 5 µA 电流的低能耗电源安全可靠地启动。这意味着，几乎第一次，真正的跟踪应用是可以实现的，并且可以使用从环境中收集的能量来测量和记录来自周围环境的连续数据。

图 6：能量收集控制器

借助正确的功率尺寸电路，能量收集控制器使这些设备能够使用各种电源运行，包括太阳能电池、振动收集器、热收集器等等。在瑞萨电子的网站上可以找到许多此类示例，以及一些显示正在使用的收割机的典型示例的视频。

基于薄埋氧化硅技术的嵌入式控制器的开发将使新一代跟踪应用程序无需电池即可运行。在医疗保健应用中，这些将提高产品质量和条件，同时为医疗保健行业节省大量成本。

有关瑞萨 RE01 系列的更多信息，请访问瑞萨网站，其中包括使用这些设备的应用笔记和视频示例。RE01 现已开始量产。

关于作者
Graeme Clark 曾在 Renesas Electronics Europe 和之前的 Hitachi Electronics 工作 20 多年，从事低功耗微控制器方面的各种工作。他现在负责将基于 SOTB 的新型嵌入式控制器引入欧洲市场。

审核编辑 黄昊宇