基于MCU确保能量受限收集设计中的可用功率

　　在创建由环境能源供电的基于 MCU 的设计时，工程师可能会遇到断电甚至间歇性断电。电源监控和上电复位排序在确保这些设计正常运行方面发挥着关键作用。对于这些设计，工程师可以通过将一些简单的技术与 Atmel、Diodes Incorporated、Fairchild Semiconductor、Linear Technology、Micrel、Microchip Technology、ON Semiconductor、Silicon Labs、STMicroelectronics和德州仪器等。

　　在环境能源的支持下，基于 MCU 的设计（例如无线传感器、智能设备和新兴的物联网 （IoT） 微粒）有望实现长达数十年的无电池运行理想。在实践中，任何实际的环境源都可能循环低于所需的最低功率水平，甚至由于例如穿过太阳能电池的阴影或驱动压电换能器的振动下降而暂时降至零。

　　超级电容器或薄膜电池等储能设备可以在环境能量下降或损失期间提供持续的电力。然而，在任何实际设计中，即使在其超低功耗睡眠模式下，漏电流和 MCU 功耗的结合最终也会耗尽可用的电力储备。事实上，设计人员不能简单地依靠 MCU 低功耗模式来确保能量受限收集设计中的可用功率。典型的基于 MCU 的无线传感器在扩展睡眠状态下可能会比在活动状态下消耗更多的总功率（图 1）。即使使用业界功耗最低的 MCU 系列中的器件，设计人员也面临这一挑战，例如 Atmel tinyAVR、Microchip Technology XLP、Silicon LabsZero Gecko、意法半导体STM32 L1、德州仪器 8-MHz MSP430x1xx和 16-MHz MSP430x2xx以及其他 MCU 系列。

　　

　　图 1：低占空比应用（例如无线温度传感器）可能会发现，即使是超低功耗 MCU，在扩展睡眠状态下也比在活动状态下消耗更多的总功率（德州仪器提供）。

　　事实上，典型的能量收集设计可能会在其部署生命周期的某个时刻面临暂时的断电或断电。如果允许继续运行，MCU 可能会进入不确定的状态，存储设备（例如锂离子电池）可能会过度放电，甚至遭受相应的损坏。因此，工程师需要确保他们的能量收集系统对断电做出适当响应，并在再次获得足够能量时通过上电复位恢复。

　　在传统的基于 MCU 的系统中，工程师可以预期上电复位将可靠且快速地执行，从而恢复正常操作。然而，在能量收集设计中，与环境源相关的能量限制需要更多地关注上电复位过程本身。上电复位可能需要比正常操作更多的能量。并且通常需要比能量收集电源持续提供的更多能量。因此，工程师通常需要采用 IC 和设计技术来延迟上电复位的开始，直到能量收集系统能够积累足够的能量来完成上电复位过程。

　　设计人员可以使用一个简单的电路在能量收集设计中实现成功的上电复位，该电路监控电源电压，并仅在能量收集级的电压电平超过指定阈值时才向负载供电。通常，系统会从未通电状态启动操作，其主要能量存储元件通过电池保护电路与系统断开连接。当能量开始从能量收集器流出时，它通常会专门用于为电容器充电，随后将使用该电容器为上电复位提供能量。当该电容器充电时，负载将保持断开状态，以最大限度地减少任何额外的功耗。

　　在采集器和 MCU 之间放置了一个开关，确保 MCU 保持与电源断开，直到能量水平足以确保 MCU 可以完成其上电复位活动（图 2）。在这里，一个简单的电路将电压基准与低功率监视器（例如凌力尔特LTC2935）相结合，以控制 Diodes Incorporated ZXMN2F30FH MOSFET 器件为 MCU 供电。

　　图 2：在受控上电复位电路的核心，具有电压比较器功能的器件将 MCU 与能量收集器解耦，直到存储电容器积累足够的能量以确保完全执行 MCU 上电复位序列（礼貌硅实验室）。

　　作为该电路的核心，LTC2935 是一款超低功耗电压监控器 IC，旨在提供系统初始化、电源故障警告和复位生成功能。除了可配置的复位阈值外，该器件还通过其电源故障输出信号对即将发生的低电压状况提供预警。

　　设计人员还可以利用稳压器和转换器提供的“电源良好”信号。例如，Fairchild Semiconductor 等低压差 （LDO） 稳压器FAN2558和 ON Semiconductor NCP3337具有集成比较器，可在专用输出引脚上提供电源良好信号（图 3）。

　　图 3：LDO 稳压器（例如 ON Semiconductor NCP3337）集成了一个比较器，以在输出电压达到或超过指定阈值电压电平时提供“电源正常”信号（由 ON Semiconductor 提供）。

　　设计人员可以采用类似的方法，使用德州仪器TPS62125等 DC/DC 降压转换器。TPS62125 包括一个精确的低功耗启用比较器，可用于提供电源良好信号以满足系统特定的上电和断电要求。使能比较器仅消耗 6 µA 静态电流，并具有 1.2 V 的准确阈值（典型值）以及可调节的迟滞。

　　在实践中，上电复位电路通常会在达到所需的电压阈值后在发出上电使能之前插入一个短暂的延迟。额外的延迟允许电力存储设备有额外的时间完全充电和输出源稳定。因此，设备制造商将在启用电源良好信号之前在其集成电源良好电路中建立延迟。例如，FAN2558 在输出电压达到阈值和电源良好信号启用之间具有 2 ms 的固定延迟。

　　设计人员还可以找到允许可编程延迟的设备。例如，麦克雷尔MIC5249 LDO 具有可编程的上电复位延迟。在这里，设计人员可以使用根据以下公式确定大小的电容器来设置所需的延迟时间：

　　

　　其中 I DELAY = 0.55 µA 和 V DELAY = 1.4 V。

　　简单的电压监控器 IC 和电源良好信号输出可满足许多基于 MCU 的能量收集设计所面临的基本要求。对于更复杂的电源排序要求，电源监控器 IC（例如德州仪器TPS3619和凌力尔特LTC2928）可提供更复杂的功能。借助凌力尔特 LTC2928 IC，设计人员只需几个外部组件即可同时在四个不同通道上对阈值、排序和时序进行排序。

　　结论

　　能量收集技术可以使设计人员确保基于 MCU 的设计能够持续运行多年。然而，环境能量水平的间歇性降低会导致断电和断电。在基于环境供电的 MCU 设计中，传统的上电复位功能可能不足以在断电后恢复操作。使用可用的 IC 和电源排序技术，工程师可以确保可靠的上电复位，尽管在能量收集设计中通常会遇到限制。