通过利用（BQ25570_PMIC启动能量采集）

物联网节点必须运行数年而不换一次电池，以最大限度地减少维护工作。对于某些类型的系统，节点只需要少量的电池供电，但依靠能量收集器来满足长期的电力需求，如太阳能电池阵列或小型蜗轮机器。

能量收集设计的根本缺陷是电源不可靠，但也有一些例外，比如流量计，液体的运动是连续的，收集器可以从这种流动中吸收一部分动能。

在大多数情况下，收集器只能获得低水平的连续能量流。不幸的是，这种能源供应通常有高峰和低谷，这很可能与系统的峰值需求不一致。这需要使用可充电电池或电容器以及其他组件来将临时剩余能量存储在系统内部的功率存储器中。

如果系统能长时间保持静态，就可以只消耗很少的电能，这样电能就可以积累到足够满足高峰需求。对于物联网节点，这种峰值需求高峰非常常见，如图1所示。当这类节点不工作时，可以保证其很大一部分电路处于断电状态，从而达到整体低能耗的目标。利用这种低占空比特性，我们可以将系统设计为在不超过1%的系统生命周期内处于高能耗状态。

图1:典型物联网传感器节点的功耗特征

物联网节点需要能够在一定的功耗范围内执行多项任务。通常，节点会感知输入的数据，例如某个管道中的流量，或者如果它是环境传感器，它会感知温度或湿度水平。系统需要将接收到的数据传输到同类节点或服务器，以便与其他节点的报告进行比较。如果数据表明发生了重大变化，就需要采取措施。如果比较或筛选算法显示了可报告的变化，节点将需要激活RF收发器，组合数据包并将其发送到物联网网关。节点还需要监听确认和网络状态更新。

峰值功率很可能出现在射频传输期间。但是，我们可以对活动进行排序，先将数据包组合起来发送到射频子系统，这样一些节点就被关闭了，然后再发起实际的射频传输。这有助于消除峰值功率，并防止电容器和电池组合放电过快。

有一些简单的电路设计技巧，从能量采集器给储能电容充电，提供足够的电能，满足高峰活动的需求。一种技术是将二极管与太阳能电池或类似的收集器和电源轨串联。电容器可以被充电到集电极的开路电压。并联过压保护可以防止电容和电源轨达到过高的电压水平。然而，该方法仅在太阳能电池阵列能够产生高于电源轨的电压时适用。许多小型发电机，以及基于热电发电等其他收集技术的发电机，永远无法达到这一水平。另外，充电到最高电压也不适合太阳能发电，因为目前的最大功率点(MPP)电压会随着光照强度的变化而变化。

我们需要的是能够管理电容器和系统电压的专业设备。德州仪器(TI)的BQ25570电源管理集成电路(PMIC)使得从各种收集源提取从微瓦级到毫瓦级的功率成为可能，尽管大多数收集源是具有高输出阻抗的低压电源。电池管理功能可以确保任何连接的可充电电池或储能电容不会被这种提取的电力过度充电，从而使锂电池能够安全工作。它还可以确保电池不会耗尽到超过系统负载的安全极限。除了非常高效的升压充电器，BQ25570还提供了一个超低功耗的降压转换器，为系统提供第二个电源轨。

BQ25570通过调整充电器的输入电压来执行最大功率点跟踪。如图2的框图所示，VIN_DC可以检测输入电压。该电压将与VREF_SAMP引脚上的采样基准电压进行比较。最大功率点跟踪电路周期性地禁用充电器约250 ms，并采样开路电压的一部分，从而每16秒获得一个新的参考电压。对于太阳能集热器，最大功率点通常在70%-80%之间，对于热电集热器，最大功率点在50%左右。BQ25570通过将VOC_SAMP分别连接到储能电容(VSTOR)或接地，将太阳能和热电能源编程为相应的百分比水平。如果输入源的最大功率点不是80%或50%，可以通过在VRDIV和接地引脚之间连接一个外部电阻来设置该比值。

图2:带典型太阳能电源电路的BQ25570框图。

使用外部电阻设置VBAT_OV引脚上的峰值阈值，以保护可充电电池或储能电容免受过压或过充。当收集器输入足够的电能来驱动系统时，该设置也适用于充电器向系统提供电压的情况。

人们选择储能电容的部分原因是它的整体尺寸，还有漏电的考虑。电化学“超级电容器”可以提供最高的电容，电容值高达50 F。然而，它们的高泄漏水平使它们不适合间歇能量收集的设计。钽电容器可能是更好的选择，但其耐火性是一个令人担忧的问题，在设计时需要注意。这种电容器应该提供相当高的电容水平，并且泄漏水平也应该在纳安的范围内。但如果综合考虑成本、安全和低泄漏，陶瓷电容会是一个相对较好的选择，虽然其电容只有半毫法左右。

为了便于能源预算管理，BQ25570控制“好电池”(VBAT_OK)标志。当储能电池或电容器的电压下降到预设的临界水平以下时，它将向连接的微处理器发送报警信号。使用这种方法，您可以开始降低负载电流，以防止系统欠压。使能信号使MCU能够控制PMIC的状态，并且如果需要，它可以被置于具有超低静态电流的睡眠状态，以进一步节省功率。

在许多低占空比系统中，MCU可以进入深度睡眠状态，从而将功耗降至非常低的水平。然而，在某些情况下，系统可能无法继续工作，因为储备能量暂时耗尽。我们可以设计系统不仅容忍这种情况，而且将其视为正常现象，并使用技术来避免完全重启的需要。这些系统设计有助于将能量收集转化为更可行的技术。

许多MCU依靠备用存储单元在睡眠期间保存关键数据。如果这些MCU采用SRAM，在断电的情况下，备用存储单元会有一些漏电，导致内容丢失。定期向闪存写入数据可以在一定程度上解决这个问题。但是，如果您收到即将断电的警告，但没有足够的电力来提供执行一系列闪存写入所需的高电流，也会出现问题。为了支持闪存写入，MCU通常需要集成电荷泵来完成擦除和写入操作，这通常需要持续数百毫秒的5 mA至10 mA电流。

此外，MCU可以完全断电，并在电源恢复时重新启动，然后尝试从永久存储器中恢复其状态，也可以通过下载关机前提供的状态信息从服务器中恢复。然而，这种方法会大大增加功耗，如果PMIC和电容器没有积累足够的功率，节点可能会出现一系列重启失败。通过存储临时数据，系统不需要重启。关于系统状态的信息越详细，系统为保证正常工作所需执行的恢复工作就越少。

铁电随机存取存储器(FRAM)提供了一种存储技术，在断电的情况下可以在系统中存储大量的临时数据，并且功耗很低。FRAM的主要优点是它支持超低功率写入。这种优势可以通过两种不同的方式找到。与闪存不同，写入FRAM不需要预擦除周期。写本身所需的电荷比闪存低得多。

FRAM在结构上类似于DRAM，并且使用电容存储元件。它通常与编程晶体管相结合。闪存使用高电场将电荷存储在晶体管浮栅的绝缘体内部，而铁电电容器将电荷存储在电容器内部。与常规电容器不同，铁电电容器的材料经过精心选择，当施加编程电荷时，可以在其晶体结构内部形成半永久电偶极子。阅读是破坏性的，因为它迫使细胞进入空的状态。但是写入的功耗很低，所以每次成功读取后都可以轻松执行，如果值为“1”，就会替换原来的值或者加载一个新的“1”。

TIMSP430FRx系列MCU包括高达128 KB的片内FRAM，用于永久存储数据。MCU支持超低功耗状态。在这种状态下，片内存储器阵列和寄存器不通电，但FRAM将继续存储它们的内容。

计算功率损耗的软件实用程序(CTPL)为系统设计者提供了一种简单的方法来使用FRAM提供永久状态存储功能。资源库提供了许多应用程序编程接口(API ),用于监控和响应断电等事件。通常，在系统断电前，软件资源库会将状态数据从SRAM和寄存器传输到FRAM。

电源恢复后，CPTL资源库可以将FRAM内容发送回SRAM数据结构和MCU寄存器继续执行。

通过构建系统软件来减少完全唤醒周期的数量，可以实现进一步的功耗优化。设计通常分为两类：响应型和周期型。响应式可以将系统置于待机状态，等待一些活动或事件，然后开始处理，最后返回深度睡眠状态。

活动可以与收集功能本身相关联。例如，在一个通过收集振动或运动来供电的系统中，任何剧烈的运动不仅可以提供能量，还可以激活传感器节点进行记录。以桥梁振动监测仪为例，它可以利用这个活动来驱动它的运行，即当大型车辆或强风影响桥梁结构产生高应力时，监测仪会立即进行测量。

相反，周期性系统在固定的时间间隔后醒来并进行测量。如果数据达到需要关注的级别，系统将对其进行处理，可能会通过网络转发数据，然后重新进入睡眠模式。虽然周期架构比纯响应系统设计浪费更多的功率，但是当很难简单地使用活动阈值来确定输入是否应该引起注意时，通常有必要使用这种架构。感应流量传感就是一个例子。

不过使用MSP430RFx这样的MCU可以降低能耗。MSP420FR413x等器件上的10位ADC可以被触发，独立于CPU内核工作。经过规定的时间后，实时时钟可以开始采集操作。然后，一个具有上限和下限的窗口比较器可以确定是否需要唤醒CPU来执行进一步的分析。这可能会限制传感器节点生命周期中所需的完全唤醒次数。

因此，MSP430可以作为物联网中超高能效响应或周期性传感器节点的核心。通过使用BQ25570 PMIC启动能量收集，系统的使用寿命可以进一步延长，超过使用纯电池设计所能达到的极限。