环境能源的采集及应用.pdf

slide 1 c12l13 ehs 无限时运行无限时运行采用采用xlp pic mcu的能量收集应用的能量收集应用 slide 2 目标目标 学习完本课程后您将学会：学习完本课程后您将学会： 存在哪些能量收集（eh）源 使用eh源的设计技术 eh应用的挑战和要求 slide 3 课程安排课程安排 能量收集简介能量收集简介 eh源源 eh功率管理功率管理 充电状态监视充电状态监视 演示演示 总结总结 slide 4 能量收集简介能量收集简介 slide 5 什么是能量收集？什么是能量收集？ 嵌入式系统由环境中的能源供电嵌入式系统由环境中的能源供电 不采用能量收集的应用不采用能量收集的应用 感应充电系统 大规模发电机 slide 6 什么是能量收集？什么是能量收集？ slide 7 我要做什么？我要做什么？ 构建监视传感器网络构建监视传感器网络 成本实现成本实现 有线传感器最初成本最高最初成本最高 运行成本适中运行成本适中 简单 可靠 安装成本非常高 电池供电的无线传 感器 最初成本最低最初成本最低 运行成本最高运行成本最高 简单 比有线传感器便宜 需经常替换电池 能量收集无线传感 器 最初成本较高最初成本较高 运行成本最低运行成本最低 设计较为复杂 生命周期中的运行成本最低 slide 8 eh的应用场合的应用场合 可利用环境中能源的低功耗应用可利用环境中能源的低功耗应用 slide 9 能量收集源能量收集源 slide 10 能量收集源能量收集源 光线光线 温度温度 运动运动 rf slide 11 eh源 光线 源 光线 光伏太阳能电池光伏太阳能电池 室外： 10 mw/cm2 室内： 1 mw/cm2 slide 12 eh源 光线 源 光线 光伏太阳能电池光伏太阳能电池 低至中等功率 低成本 调理要求调理要求 最大功率点跟踪 升压 示例示例 计算器 交通信号灯 庭院照明 slide 13 eh源 温度 源 温度 热电发电机热电发电机 seebeck效应效应 性能性能 高功率 中到高成本 from: wikipedia (thermoelectric effect) )()( 12 ttssv ab slide 14 eh源 温度 源 温度 要求要求 温度系数匹配 需要升压和阻抗匹配 需要较大的占板空间（teg和散热片） 示例示例 驱蚊器 工业传感器 slide 15 eh源 运动 源 运动 压电式振动能量采集器压电式振动能量采集器 随机 低功耗 谐振 中等功耗 中到高成本 其他源其他源 电磁式 静电式 from: wikipedia (piezoelectricity) from: mide volture datasheet slide 16 eh源 运动 源 运动 要求要求 自限性振动源的振荡频率 整流、限压和降压电源 示例示例 车窗破裂传感器 应变/振动传感器 slide 17 eh源源 rf 无线功率接收机无线功率接收机 环境（蜂窝/wifi） 功耗极低（nw-uw） 发射 低功耗（uw-mw） 中到高成本 要求要求 合适的rf阻抗匹配 实际使用时需要接收机ic 示例示例 构建自动化wsn rfid资产追踪 收费系统 slide 18 eh源 比较 源 比较 典型成本功率备注典型成本功率备注 太阳能 -室内 -室外 $0.20/uw $0.20/mw 1.0-1.5 v/节 10 uw/cm2 10 mw/cm2 - 输出功率有限（室内） - 实际输出功率并不恒定 温度$0.50/mw 1 v 10 k 1 mw/(k*cm2) - 散热片的体积/成本未计算在内 - 可靠且功率高 压电 -谐振 -随机 $20/mw 25 vac 0.1-0.5 mw/cm2 1 uw/cm2 - 批量订购定价高 - 谐振：振动加速度为1g - 随机：低功耗且一致性差 rf$30/mw稳压 1 mw（距离2m 时） 10 uw（距离 10m时） - 采用6 dbi增益天线时的发射功率为 3w - 低功率输出 - 批量订购定价低 slide 19 电源管理电源管理 调理和消耗调理和消耗 slide 20 电源管理电源管理 阻抗匹配阻抗匹配 为了获得最大的输出功率，需要能量收集器的源 阻抗和负载阻抗匹配 负载阻抗的变化非常大 将负载和阻抗匹配将负载和阻抗匹配pmic的输入隔离的输入隔离 slide 21 电源管理电源管理 升压和降压电路 mcp1640 收集器收集器 slide 22 电源管理电源管理ic microchip - mcp1623/40升压稳压器升压稳压器 针对单节碱性电池应用而设计，但仍可用于低电压 eh源 可用来将eh的电压从0.6v升压至1.5v 这两款稳压器均在电压约为0.6v时启动 在关断前，会将电压降至约0.3v linear technology ltc3588-1 压电式能量收集电源 maxim integrated products max17710 能量收集充电器和保护器 slide 23 储能方法储能方法 电容电容 超级电容 电解电容 陶瓷电容 二次电池二次电池 镍铬/镍氢电池 锂离子/锂聚合物电池 铅酸电池 薄膜锂电池 slide 24 薄膜锂电池薄膜锂电池 专为能量收集应用设计专为能量收集应用设计 低泄漏电流（15年年 温度范围温度范围-40至至105-20至700至60-40至至85 slide 26 功耗管理功耗管理 最小化最小化cpu运行时间运行时间 快速时钟可能更高效 高阻抗源可能有必要使用慢速时钟 等待事件发生时使用休眠模式 采用双速启动来缩短运行时间 slide 27 功耗管理功耗管理 采用有源电压控制降低系统工作电压采用有源电压控制降低系统工作电压 收集器收集器 mcp1640 slide 28 功耗管理功耗管理 可能的话禁止外部电路可能的话禁止外部电路 使用未用的i/o引脚作为外部器件的电源引 脚 使外部器件进入休眠模式 slide 29 功耗管理功耗管理 缩短连续工作器件的实际工作时间缩短连续工作器件的实际工作时间 增加上拉阻抗增加上拉阻抗 功耗管理技巧与诀窍中有更多好主功耗管理技巧与诀窍中有更多好主 意意 slide 30 功耗管理功耗管理 可能的话禁止外部电路可能的话禁止外部电路 使用未用的i/o引脚作为外部器件的电源 引脚 使外部器件进入休眠模式 缩短连续工作器件的实际工作时间缩短连续工作器件的实际工作时间 增加上拉阻抗增加上拉阻抗 功耗管理技巧与诀窍中有更多好主意功耗管理技巧与诀窍中有更多好主意 slide 31 功率管理功率管理 充电状态监视充电状态监视 slide 32 什么是充电状态监视？什么是充电状态监视？ 能量输入能量输入 能量输出能量输出 可用能量可用能量 slide 33 为什么实现为什么实现socm？ 提供可靠工作提供可靠工作 eh输入功率差异 忽高忽低或不一致（压电）忽高忽低或不一致（压电） 一致但有限制（一致但有限制（rf和温度）和温度） 应用功耗差异 允许灵活执行允许灵活执行 使能前摄性故障响应使能前摄性故障响应 slide 34 socm公式公式 e = einit+ ein eout e = 系统的当前能量 einit = 最初存储的能量 ein= 捕捉和收集器收集的能量 eout = 系统使用的能量 slide 35 socm公式公式 ein的组成的组成 来自收集器的输入能量 能量捕捉的效率 存储介质的效率 eout的组成的组成 应用的功耗 泄漏电流 esr损耗 slide 36 基本基本socm应用算法应用算法 确定收集器 状态 确定可用 能量 做出运行时 决定 执行应用 休眠 slide 37 socm方法 确定 方法 确定ein 储能器件的储能器件的v 对于电容和一些电池 有用 对于许多锂化学电池 无用 测量收集器的输出功率测量收集器的输出功率 rf rssi测量 温度 传感器的vout 太阳能 充电时间 压电 记录振动事件 slide 38 socm方法 确定 方法 确定eout 描述系统功耗特性描述系统功耗特性 峰值功率 典型回路功率 温度导致的系统 泄漏电流 系统各功能的能量使用系统各功能的能量使用 在执行过程中监视在执行过程中监视vdd slide 39 socm方法 储能注意事项 方法 储能注意事项 浪涌电流拉电流能力浪涌电流拉电流能力 电容esr 最大电流受限的薄膜电池 最小工作电压最小工作电压 小于vmin的电容电压不可用 具有高截止电压的薄膜电池 slide 40 socm方法 处理低能量 方法 处理低能量 暂时低能量状态暂时低能量状态 缩短实际工作时间 发送低功率警告 紧急低能量状态紧急低能量状态 禁止大多数功能并进入休眠模式 关断系统 slide 41 socm示例 太阳能传感器节点 示例 太阳能传感器节点 slide 42 socm 示例 太阳能传感器节点（续） 示例 太阳能传感器节点（续） 采用的技术采用的技术 收集器给出的充电信号 太阳能电池的电池充电特性 跟踪有和没有太阳能时的环路数 监视执行期间的vdd 低vdd或电池电平时的临界低功率状态 slide 43 演示演示 slide 44 演示演示 cymbet太阳能收集器 powercast无线传感器 压电演示 热电发电机演示 slide 45 总结总结 今天我们讲述了：今天我们讲述了： eh源和功率管理技术 eh应