據估計，物聯網每年會產生100多個zettabytes（萬億千兆字節）的數據，而這個數字只會增加。到2020年，平均家庭對這一數字的貢獻數據預計將增加五倍。創建數據不需要太多的計算能力，因為可以使用最簡單的傳感器集線器捕獲，數字化和存儲數據。能夠檢測九軸運動的MEMS傳感器采用封裝，每側僅測量1或2毫米。這些微型設備和越來越多的傳感器構成了當今物聯網的核心，使端點能夠實時在線捕獲，處理和共享數據。

由于預計更多端點可以在有限的電源下運行，從他們的環境中收獲的能量，對超低功率運行的需求正在增加。端點可以是更大傳感器網絡的一部分，但也可能是遠程和隔離的。一旦投入使用，它們可能會運行多年而無需維護，包括更換電池。

制造商正忙于開發新的解決方案來應對這一設計挑戰，使我們能夠設想可以收集和傳輸信息的設備需要任何外部電源。在可穿戴設備的情況下，這可能很快就會包括僅由佩戴者的身體或其活動提供動力的設備。

Energize！

為了說明如何實現這一點，請考慮塊如圖1所示。在大多數應用中，功率部分可以是各種電源管理器件中的任何一種，但對于超低功耗應用，選擇僅限于專門開發的解決方案，以最大限度地提高有限的可用功率，如收獲能源。

圖1：越來越多的集成解決方案現在主要針對主要來自收獲能源的應用。

圖2中的框圖顯示了使用ADI公司ADP5090電源管理單元的典型能量收集示例。

圖2：框圖基于ADI公司的ADP5090的能量收集應用。

這是一款集超大功率的超低功耗升壓穩壓器點跟蹤（MPPT）和費用管理功能。 MPPT可配置為光電和熱電能源，工作范圍為16 W至200 mW。該器件可以從低至380 mV的電源電壓開始，僅從80 mV開始工作。它還支持使用可選的原電池，可以自動切換和切換。這款16引腳器件尺寸僅為3 mm×3 mm，體積小巧，功能強大，是許多物聯網應用的理想選擇。該器件由評估和演示套件ADP5090-2-EVALZ（圖3）提供支持，為開發能量收集應用提供了完美的平臺。

圖3：ADP5090-2-EVALZ為評估ADP5090超低功耗升壓穩壓器提供了完美的平臺，該穩壓器具有MPPT和ADI公司的充電管理功能。

表格中提供了另一種解決方案凌力爾特公司的LTC3588-1。與其他針對能量收集的PMIC一樣，它具有超低靜態電流。由于LTC3588設計用于帶有交流電的能源，如壓電發電機，因此LTC3588集成了低損耗全波橋式整流器和降壓穩壓器（見圖4）。

圖4：凌力爾特公司的LTC3588-1納米級能量收集電源的框圖。

連接到Vin引腳的外部電容作為儲能器，輸出電容器構成調節輸出的一部分。該器件為降壓轉換器生成內部驅動軌，從而使輸入電容中的電荷能夠傳輸到輸出電容。該器件通過開啟和關閉降壓轉換器來工作。當輸入電壓足夠高時，降壓轉換器啟動。當它低于壓差電壓時，降壓轉換器被禁用，輸出由輸出電容保持。該滯后循環在正常操作期間重復，由外部電感器限定。可以使用D0和D1輸入設置輸出電壓至1.8 V，2.5 V，3.3 V或3.6 V.可以使用演示電路DC1459B-A-ND評估LTC3588-1的所有功能。

如果應用是從太陽能電池運行的無線傳感器，那么賽普拉斯半導體的S6AE101A可能是完美的解決方案。這種能量收集PMIC可與線性光源（如太陽能電池）配合使用，并且由于其低啟動功率僅需1.2μW，因此能夠在低至100 lux的光照條件下工作。還可以包括可選的主電池，以確保在無光條件下操作。圖5顯示了S6AE101A的框圖，顯示了主要特性，包括功率門控。

圖5：S6AE101A能量收集PMIC的框圖用于無線傳感器節點，來自賽普拉斯半導體公司。

該器件通過將存儲的電壓與閾值進行比較來運行。只要存儲的電壓超過閾值，輸出電壓就會自動啟用。一旦存儲的電壓降至閾值以下，就禁用輸出電壓。有效時間由總系統功耗決定，因此根據應用，電壓源和儲能電容器的大小而變化。還必須權衡發電機輸送能量的能力，以及充電存儲電容所需的時間。可以使用開發套件S6SAE101A00SA1002評估S6AE101A的所有功能。

連接

在我們的示例應用中，主要功能元件之一是RF收發器。由于對超低功耗無線網絡的需求增加，針對該應用領域的高度集成解決方案的數量不斷增加。最新增加的是Maxim Integrated的MAX7037，它是一款4頻段sub-GHz RF收發器，集成了8051微控制器和混合信號傳感器接口（圖6）。

圖6：Maxim Integrated的MAX7037是一款超低功耗四通道多通道收發器，適用于超低功耗無線傳感器網絡。

在一個控制下作為主處理器，MAX7037在發送模式下功耗僅為16 mA，在接收時功耗僅為22 mA，在深度睡眠模式下僅降至100 nA。設計用于全球ISM sub-GHz頻段，可配置為使用FFSK，FMSK或ASM調制在315,433,868或915-930 MHz下工作。

混合信號傳感器接口通過集成的9位sigma delta ADC支持模擬傳感器。主機CPU通過UART控制MAX7037，但默認情況下它作為SPI從機運行。在此模式下，其64 KB的片上閃存可以保存主機CPU編程的固件。 TEST0引腳控制器件是在編程模式還是運行模式下啟動。要評估MAX7030的功能，請查看MAX7037EVKIT。

另一種不需要主機CPU的替代且稍微集成的解決方案可能是德州儀器的CC1310，是SimpleLink的一部分家庭。如圖7所示，這款超低功耗sub-GHz無線MCU集成了ARM?Cortex?-M3內核和超低功耗傳感器控制器，可自主運行以節省系統功耗，以及完全集成的RF收發器能夠在315,433,470,500,779,868和915 - 920 MHz下工作。

圖7：德州儀器的CC1310是SimpleLink系列高度集成的無線MCU

添加傳感器

這種物聯網設備的核心是用于捕獲數據的傳感器。雖然存在多種形式的傳感器，但MEMS技術已經徹底改變了傳感器領域。

用于運動或醫療目的的可穿戴技術中的常見用例包括心率監測和脈搏血氧測定。這些功能通常使用LED和光電二極管來實現。歐司朗光電半導體的SFH7050 BioMon傳感器就是一個很好的例子。它集成了三個發射器（綠色，紅色和紅外）和一個探測器，單個封裝尺寸僅為4.7 mm×2.5 mm×0.9 mm。

可穿戴設備中常用的其他形式的感應包括運動感應，以及在這里，MEMS傳感器在功能，尺寸和功率方面表現出色。許多制造商現在將幾種類型的傳感器集成到一個設備中，這使得更容易將功能添加到可以不顯眼地佩戴或攜帶的小型產品中。

例如，TDK InvenSense的ICM-20789是帶有集成壓力傳感器的6軸MEMS運動傳感器。它具有3軸陀螺儀和3軸加速度計，并輔以壓力傳感器，可用于跟蹤高度變化。運動和壓力傳感器由其自身的溫度傳感器支持，以進行校準。然而，溫度測量也可以由主機應用程序使用。

MEMS傳感器由數字運動處理器（DMP）連接，采用CMOS實現，晶圓級封裝測量傳感器僅4毫米×4毫米×1.365毫米。雖然主機系統的主要接口是I 2 C，但是使用API在DMP上運行的驅動程序訪問和控制設備的功能。這樣可以配置傳感器參數和輸出數據速率，以及模式（低功耗或低噪聲）和I 2 C/SPI接口。

所有可以使用DK-20789 SmartMotion平臺評估這些功能，該平臺提供基于GUI的開發環境來控制和配置設備，以及捕獲和可視化它產生的數據。

全部使用

上述組件的組合可用于我們的假設應用程序。表1顯示了每個器件的相關電氣特性。

應該注意的是，本文中介紹的每個器件的功率要求在運行期間會有很大差異，具體取決于模式，啟動時的浪涌 - 向上和環境條件。表1中提供的數字僅供參考，并不是確定的。

V（見注1）I（見注1）能量（見注2）ADP5090 3 V 100 mA 30mJ LTC3588-1 3.3 V 950 nA 31.35μJS6AEAE101A3.3 V 250nA8.25μJMAX70373.3 V 26mA858μJCC13103.6 V 30 mA 1.08mJ SFH7050 1.8 V 125 mA 2.25mJ ICM-20789 1.8 V 3mA54μJ

注：

根據制造商的數據表數據估算 - 這些數字與負載有關，僅供參考。

使用公式1計算，基于10 ms的周期性接通時間

等式1：

公式2：

表1：本文所述設備的能源需求說明。

表1中所示的能量數據是使用應用說明AN210772：“用S6AE101A，S6AE102A和S6AE103A進行能量收集的能量計算”中詳述的等式計算的。它由賽普拉斯半導體公司生產，用于支持其S6AE101A/2A/3A系列能量收集PMIC，以更好地估算給定應用的能量需求。

雖然它們是非常粗略的估計，但通過使用這些數字作為起點我們可以開始為我們的應用建立能源預算。通過假設10 ms的周期性接通時間，選擇表1中突出顯示的組件表明我們假設的IoT設備將消耗大約3.4 mJ。如果我們將這個數字放入公式2，我們可以估計我們的應用需要一個至少1000μF的充電電容。

當然，這可以根據應用進行優化，但它可以在至少表明，使用目前可用的解決方案，理論上可以開發出一種由收集能量驅動的高功能可穿戴設備。

結論

粗略研究可用于開發超低功耗的解決方案從收獲的能量運行的無線傳感器網絡表明開發這些應用是完全可行的。隨著物聯網的不斷擴展，半導體制造商將抓住機會滿足對功耗更低的設備的需求，這是可靠的。

使用當今的技術，可以創造一個功能強大的自我 - 使用遠程，低功率無線連接的有限能量預算的有源物聯網設備，前提是它只需要不經常傳輸數據并且可以獲得足夠的“自由”能量。