能量采集设计中的上电排序管理

由环境能源驱动的设计在长期存储中部署时面临着独特的挑战。由于没有可用的能量储备，这些设计必须遵循为各个电路元件供电的仔细顺序，特别是在初始化期间可能表现出显着功率需求的微控制器（MCU）等设备。对于工程师而言，通过应用ADI公司，凌力尔特公司，Maxim Integrated等制造商的电压监控器和专用能量采集设备，可以更加轻松地从“冷启动”成功启动基于MCU的能量采集设计。 Microchip Technology，Silicon Labs和Texas Instruments等。

对于由环境源供电的设计，波动的能量水平通常决定使用储能设备，如可充电电池或超级电容器，以通过能量峰值和谷值维持标称功率可用性。然而，对于从存储中获取的能量收集设计或者在没有能量源的情况下长时间离开，很少有实际的能量存储设备能够在这些时段期间保持足够的电荷以允许快速恢复电路操作。因此，设计人员需要采用旨在确保上电过程顺利进行的策略。在许多情况下，简单地将休眠电路暴露于其环境电源将不足以可靠地恢复操作。实际上，随着功率水平开始上升，这些设计必须确保有足够的功率来支持高功耗设备（如MCU和无线收发器）的正确初始化。

上电复位

对于线路供电设计或来自高能源的一次绘图电源，电路初始化的更精细细节很少成为问题。然而，即使有足够的可用功率，电路也需要仔细排序，以确保其他元件所需的模块在使用前完全初始化和供电。在典型的基于MCU的设计中，简单的上电复位IC，如ADI公司的ADM6711和ADM6713，Microchip Technology TCM809和Texas Instruments TLV803，为处理器提供电源复位时序和电压监控（图1）。

图1：上电复位IC，如ADI公司的ADM6711和ADM6713，为MCU的电源排序提供了简单的解决方案。 ADM6711具有推挽输出，无需额外的外部元件，而ADM6713提供漏极开路输出，需要外部上拉电阻，并允许连接高于VCC的电压。 （由Analog Devices提供）

此类器件通常监控电源电压，并在上电，断电以及电源电压低于预设阈值时提供复位信号。这些类型的器件通常包括在产生复位信号之前100-200毫秒的内置延迟，以允许电源电压在处理器重启之前稳定。凌力尔特公司的LTC2935通过附加功能扩展了这些基本功能，包括预警电源失效输出，当电源降至略低于最终复位阈值的阈值时发出信号。实际上，工程师可以找到具有广泛复杂功率监控功能的电压监控IC。

然而，对于由低能量环境光源供电的设计，确保从冷启动开始可靠的电路激活可能需要更多的参与方法，而不仅仅是简单的加电复位功能。例如，即使收集电路工作以积累足够的能量，泄漏电流或亚阈值电路激活，诸如MCU之类的复杂设备也可能已经耗电，增加了达到阈值启动水平所需的时间，或者在最坏的情况下，完全防止它。

功耗

在MCU中，器件启动所涉及的内部电路可以在低于上电阈值时开始激活，即使在这个早期阶段也会导致大量功耗（图2）。在非采伐应用中，电源电压快速接通，这种电流消耗几乎不会记录为功率曲线中的一个亮点。然而，在冷启动能量收集应用中，电源电压可以非常缓慢地上升，这种电流可能变得很大，甚至比收集电路从其环境源提取能量更快地耗电。在这种最坏情况但似乎合理的情况下，系统可能永远不会达到开机阈值。

图2：即使在超低功耗MCU中，内部管理电路也会在电源达到上电阈值之前开始充分利用电源 - 可能降低能量收集设计从低能量环境源冷启动的能力。该电流曲线显示当电源接近VDD时，从Silicon Labs Tiny Gecko MCU获取的电流测量结果。 （由Silicon Labs提供）

此外，当电源达到上电阈值时，设计需要确保有足够的能量来维持电路元件的电源初始化阶段并进入正常工作状态。诸如MCU的复杂设备在通电期间可能表现出相对高的功率需求。例如，当长时间未供电时，去耦电容将完全放电。当电源电压接通时，去耦电容最初将显示为短路，电流仅受电源线中电阻和电感的限制。

超出瞬态效应，初始化MCU和其他复杂设备的要求可能导致巨大的电力需求。例如，即使编程为在电源复位时立即进入睡眠模式，Silicon Labs Tiny Gecko MCU也会在300μs内消耗大约4 mA电流 - MCU从电源复位转换到能量模式1（EM1）睡眠状态所需的时间（图3）。

图3：随着器件调出外设，存储器，I/O缓冲器和处理器核心电路，MCU启动电源要求可达到很高的水平。在这次启动期间所需的功率测量中，Silicon Labs Tiny Gecko MCU在300μs时为这个快速处理器从电源复位转换到睡眠状态EM1所需的电流约为4 mA。 （由Silicon Labs提供）

为了防止MCU在能量存储设备已经建立足够的储备以安全地为MCU上电之前耗尽所收集的能量，可以在收集电路和MCU之间插入开关。事实上，电路设计人员可以使用上面提到的电压监控IC来控制逻辑电平门控MOSFET开关的栅极，用于将MCU与电源轨分开，直到功率达到标称电平。

事实上，能量采集设计中成功的上电排序主要取决于能量存储设备（如可充电电池或超级电容器）中累积的功率。因此，来自能量收集子系统的功率输出通常最重要地应用于确保那些设备被完全充电。对于该功能，专门IC，例如Analog Devices公司ADP5090，凌力尔特LTC3331器，Maxim Integrated MAX17710和德州仪器BQ25570提供一种有效的解决方案，与片上电路组合能量采集功能进行充电的锂离子电池或超级电容器。

结论

从“冷启动”中提出能量收集设计需要特别注意电压水平和累积能量的电流容量。如果没有对具有大启动功率要求的MCU和其他设备进行仔细的电源排序，则在启动序列完成之前可以耗尽从环境能源获取的功率，甚至导致启动尝试和故障的重复循环。通过结合使用可用的上电复位，电压监控和储能充电器IC，工程师可以确保其设计可靠地完成相对复杂的上电序列，同时从低能量环境源获取能量。