【应用】利用环境能量为EFM32低能耗微控制器供电方案，实现物联网设备“无源节点”供能

时间： 2019-02-27 来源：Silicon Labs

技术问答

通常低功耗设备需要严谨的设计开发，以满足使用电池长期供电的应用场合，尤其是部分物联网系统的无线传感节点，其大部分依靠电池工作。但是目前随着物联设备的不断推出，部分节点部署于广阔空间，而且使用环境较差，也不利于工作人员定期的电池更换。而纵观环境中蕴含着丰富自然能量（如太阳能、风能、热能等）来看，研究如何收集能量为低功耗无线设备供电则具备十分重要的现实意义。一般来说收集自然能量为设备供电，如太阳能供电系统，在对储备单元充电的同时需要实时检测充电电压、电流，设置相应的安全检测电路，避免导致储备单元与设备的永久性损坏。

EFM32系列是SILICON LABS推出的低能耗微控制器产品，其出色的低功耗运行机制比较适合用于利用环境能量供电的应用设计。目前常见的能量采集包括，太阳能，热电能（如温差供能），震动能，杂散电磁波能量等。在EFM32微控制器的典型应用中，其在活动模式下仅消耗较短的时间来执行命令，其余时间可工作在待机状态下等待数据输入或通信。EFM32系列包含了EM0活动模式与EM1-EM4工作模式，设计者可以根据实际项目需求选择工作模式。图1为典型的设备消耗电流需求与供应情况说明。由于设备在活动模式下电流消耗较高，且环境能量收集的不稳定性较高，单纯实时能量采集并不能满足电流供应，因此需要增加后备能量存储设备，实际设计中可以选择常见的可充电电池，超级电容器以及电容器组等。设备上电过程中注意，供电电压上升速度影响了能量储备设备的充电，实际设计中可通过增加检测、控制电路来实现设备的供电切换，保证设计产品整体的正常运行。以太阳能供电为例，设计之初需要预估设备总功耗，然后选择合适的能量储备单元以及所需的太阳能采集板，之后确定充电电压、充电电流等关键参数，根据器件选型选择适合的充、放电管理IC来设计控制电路，最终根据设备工作电压设计适合的DC变换电路。图2为能量收集控制示意图。

图1 设备消耗电流需求与供应

图2 能量收集控制

低功耗设备开发需要着重考虑产品的阶段能量消耗情况，并且需要准确确定具体工作模式下电流消耗时间。一般来说，设备比较耗电的活动包括微处理器复位与上电，有线或无线通信以及长时间、定期的轮询任务等。 Silicon提供的EFM32系列高级能量监视（AEM）开发工具，可以查看应用程序的能量消耗情况。设备使用能量收集装置供电，尤其是使用电容器来储能的情况下，需要注意电容的容量，自放电效应以及充、放电速度，充电过程的影响，微处理器上电过程中电压的稳定性保证，防止系统异常的复位重启。图3展示了为了防止微处理器在能量储备设备具备足够的能量之前产生异常消耗，可以在二者之间加入检测开关。

图3 能量切换控制

使用外界环境能量为低功耗设备供电，合理的能量采集单元加以后续功能电路的良好功耗控制以及EFM32系列出色的功耗管理机制，可以实现目前物联网设备的“无源节点”供能，在使用与部署方面提升产品灵活性与竞争力。

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