Silicon Labs的能量收集参考设计的应用与演示介绍

低功率无线传感器在工业和医疗应用中变得越来越普遍，远程测量桥梁和建筑物的压力，甚至人类的心脏压力。传感器节点需要是超低功率，因为更换电池可能是昂贵的，不切实际的，甚至是不可能的。在这些应用中，环境能源的采集成为高优先级，甚至是必需的。如果您正在考虑这样的设计，Silicon Labs制造了一种廉价的能量收集板，既可以作为概念验证，也可以作为设计自己应用的跳板。

Silicon Labs的能量收集参考设计（见图1）由无线传感器节点和USB无线适配器组成。无线传感器节点由太阳能电池供电，但有一个辅助输入，允许从其他能量收集替代品（如热，压电或RF）获取电力。传感器节点使用Silicon Labs Si1012A无线MCU测量温度，光照水平和电荷水平，将这些数据无线传输到EZRadioPro®USB加密狗，后者又使用单独的Silicon Labs C8051F342 MCU和Si4431无线电。这次审查将使董事会步调一致，推荐无线传感器节点中能量收集源的意义。

图1：Silicon Labs的能量收集参考设计。

传感器节点完全由太阳能电池供电，能量存储在Infinite Power Solutions的THINERGY™薄膜电池中，电源管理由凌力尔特公司的LTC4071稳压器芯片处理（见图2）。该系统专为超低功耗操作而设计，Si1012在不传输数据时仅消耗50 nA电流。能量收集电源的漏电流约为3μA，可以通过照射太阳能电池的50勒克斯来克服。当电池充满电时，系统可以在完全黑暗中运行大约七天，或者在暴露在光线下时无限期运行。该系统可以使用室内照明（200勒克斯）或阳光（10，000勒克斯）进行操作。 Silicon Labs将传感器板的预期寿命延长至15年，在此期间它可以提供7000 mA-H。

图2：Si1012传感器节点（由Silicon Labs提供）。

有趣的是，传感器节点的工作频率为919.84 MHz，而不是通常的2.4 GHz ISM频段。 sub-GHz频段的选择和相当大的PCB天线的存在将表明，虽然Silicon Labs已明确设计该板为超低功率，但它也试图最大化工作范围。

入门

此套件入门非常简单 - 它包含能量收集板，USB加密狗，ToolStick基座适配器，3英尺USB延长线和一页快速入门指南。您首先必须通过太阳能电池板为薄膜电池充满电，方法是将电路板置于阳光直射下一小时或在光线充足的房间中放置一天。由于缺乏对这两者的耐心，我将工具棒底座连接到能量收集板，并使用USB延长线将整个事件连接到我的PC。总充电时间为30分钟。

接下来，我从电脑上拔下电路板和工具棒并插入EZRadioPro USB加密狗。 Windows®很快将其注册为HID设备，没有任何投诉，这是一个受欢迎的缓解。然后我被指示从Silicon Labs的网站下载无线开发套件（WDS），解压缩文件，并安装程序 - 再次没有发生任何事故。我还必须下载他们的应用笔记AN588，它基本上是这个应用程序的用户手册。

AN588指示我推出无线开发套件并选择能量收集演示。有四个演示程序 - 安全，能量收集，RF到USB网络和EZMac网络 - 所有这些都表明他们需要固件升级才能运行它们。我运行了能量收集固件更新并保存了其他更新。

重启WDS程序，我选择了能量收集演示。转到电路板，我将电源选择按钮（S2）置于太阳能位置，等待30秒，100μF电容充电。按下电路板上的按钮导致加密狗识别节点。 PC上的程序显示，接收770勒克斯的电路板在22.30C运行，电池充电100％（见图3）。由于Silicon Labs表示只需要50勒克斯来维持电池充电，并且由于测量时电路板位于低功率，窄谱台灯下方18英寸处，因此似乎有足够的空间备用于低功耗应用程序运行。移动电路板会立即反映光线的变化并通过喷雾冻结撞击电路板，确认温度传感器确实正常工作（一旦按下电路板上的按钮即可更新数据）。

图3：无线开发套件上运行的能量收集演示。

通过此演示，按下传感器节点上的按钮可将MCU从睡眠模式唤醒。第一个按钮按下它与加密狗配对，随后的按下使其更新电池电量和温度，之后电路板回到超低功耗睡眠模式，直到下一个按钮按下。当它处于活动状态时，节点每秒传输一次亮度。

当电池充满电时，Silicon Labs声称其电量范围约为100至300英尺。如果电池电量低于75％，则降低发射功率以保留剩余电量。

他们是如何做到的？

Silicon Labs的能量收集参考设计包括用于收集能量的太阳能电池，用于存储能量的薄膜电池以及用于处理流入和流出电池的电流的能量管理电路。

能源管理由凌力尔特公司的LTC4071电池充电器系统（见图4）提供，该系统专为能量收集应用而设计。 LTC4071从太阳能电池或其他能量收集源获取能量，并根据薄膜电池的要求将其转换为恒定的4.1伏特。 LTC4071可以保护电池免受过充电和过放电以及来自负载的任何可能损坏电池的突然脉冲。该器件本身在工作时仅消耗550 nA，在保护电池免于过放电时仅小于0.1 nA。

图4：LTC4071电池充电器系统（由Linear Technology提供）。

LTC4071将4.1伏电压从电池转换为2.7伏的稳压电压，供Si1012无线MCU使用。它在ADI公司的ADP162超低功耗LDO，安森美半导体的NCP302电压检测器和100μF钽电容的帮助下实现，可在发送期间提供峰值电流。凌力尔特公司在Digi-Key网站上提供了一个LTC4071产品培训模块，用于解释电池充电系统的工作原理。

储能由无限电力解决方案（IPS）THINERGY MEC201-7S固态电池提供，额定电压为每0.7 mAh 4.1伏。出于多种原因，薄膜电池非常适合能量收集应用。 IPS薄膜电池的额定循环寿命为100，000次充放电循环，放电深度为10％，典型应用负载，可在15至20分钟内充电至90％充电状态。它们可以接受低至1μA的充电电流（在最小的微电源范围内），并且可以提供高达7 mA的放电速率。最后，它们在25°C时具有每年1％的超低自放电率，使得在该领域中持续10至15年的应用完全可行。

在无线方面，Silicon Labs Si1012是一款单芯片解决方案，它将25 MHz 8051 MCU与16 kB闪存，12位ADC和EZRadioPro RF收发器相结合（参见图5）。收发器部分的频率范围为240至960 MHz，灵敏度为-121 dBm，最大功率输出为+13 dBm。有效时，接收器吸收18.5 mA电流，发射器电流为+ 13 dBm输出30 mA，降至+ 1 dBm时为18 mA。

传输时，Si1012吸收的电流远远超过薄膜电池可承受的7 mA最大放电速率。差异主要由100μF电容器处理，尽管真正的技巧是尽可能缩短发送脉冲串。为此，EZRadioPro收发器使用基于EZMAC PRO软件库的GFSK调制（EZRadioPRO通道19）以128 kbps进行传输。输出功率为+13 DBM，但当电池电量降至75％以下时，传感器节点将降低输出功率。

图5：Silicon Labs的Si1012收发器（由Silicon Labs提供）。

收发器从睡眠模式唤醒的时间尽可能短 - 在本应用中，发送器和接收器每秒只有1 ms处于活动模式（见图6），发送和接收每次只分别有一个数据包。尽管发射器在工作模式下吸收29 mA电流，接收器电流为19 mA，但此应用的平均电流消耗仅为51μA - 这是我的台灯和太阳能电池板可轻松匹配的水平。/p》

图6：运行能量收集演示程序的Si1012活动概况（由Silicon Labs提供）。