無線物聯網 （IoT） 設備設計人員一直在尋找更好的方法來為這些設備供電，以減少消費、商業或工業應用中的停機時間。使用一次性電池時需要連續進行電量監測并定期進行更換，更換后的廢舊電池還會面臨一個重要的處理問題。充電電池解決了處理問題，但需要拆下來充電，然后再安裝上去。

　　由于傳統方法的局限性，人們對利用環境能量為設備供電的能量收集技術的興趣越來越大。但收集能量和電池充電所需的電路會大大增加設計的復雜性、尺寸和成本，這是設計人員不可回避的問題。

　　本文簡要介紹了在物聯網應用中使用能量收集的情形，并概述了設計人員面臨的一些挑戰。然后，介紹了一種通過在微控制器 （MCU） 上集成能量收集和電池充電管理電路來克服這些挑戰的方法。文中將通過 Renesas 的實例器件解決方案和相關評估板，展示如何使用該方法有效消除物聯網設備對電池更換的需要。

　　為什么要將能量收集用于物聯網？

　　對于像低功耗無線傳感器系統這樣的物聯網應用來說，能量收集是一個很有吸引力的解決方案，因它可以實現設備全無線部署，幾乎不需要維護。通常情況下，這些設備仍然需要一個可充電電池或超級電容器來滿足峰值功率需求。

　　原則上，通過收集環境能量，系統可以采用較小的儲能裝置并延長其使用壽命。反過來，只要能量收集功能對設計的零件數增加不多，由此構建的物聯網設計就有可能打包到一個較小的封裝中。然而，在實踐中需要額外的組件來實現能量收集，這使得減少設計封裝的嘗試受挫。

　　其中問題是，能量收集電源通常需要單獨的設備來收集環境能量，并要確保像可充電電池或超級電容器這樣的儲能設備能夠正確充電。在由 MCU、傳感器和射頻 （RF） 收發器組成的已經很簡約的無線系統設計中加入這種額外的功能，可能會將一個簡單的、部件少的設計變成一個相對復雜的設計（圖 1）。

圖 1：在物聯網設備中使用能量收集可以讓用戶擺脫電池維護的困擾，但增加的要求通常會導致設備越來越大，設計復雜度和成本越來越高；所有這些都與無線物聯網設計的要求相悖。（圖片來源：Renesas）

　　最大程度減少物聯網設計的組件數

　　到目前為止，能量收集所需的許多不同的組件均已被集成到專用模塊和電源管理集成電路 （PMIC） 中，如 Analog Devices 的 LTC3105/LTC3107、Cypress Semiconductor 的 S6AE101A、Matrix Industries 的 MCRY12-125Q-42DIT 等。這樣的裝置可從太陽能電池、熱電發電機 （TEG）、壓電振動傳感器或其它能量源提供一個穩定的電壓軌。因此，它們可以作為一個完整能量收集電源用于基本的物聯網硬件設計。不過，設計人員還是需要突破極限，才能滿足應用需求并保持或獲得競爭優勢。

　　Renesas RE01 MCU 系列有助于實現這些目標，因為它通過在器件中加入能量收集控制器 （EHC） 進一步提升了集成度。事實上，RE01 MCU 可以使用其內置的 EHC 為二次電池充電，同時為器件的其他部分提供系統電源。RE01 不僅僅是一個能量收集器件，其 EHC 還包括一個 64 兆赫 （MHz） Arm? Cortex?-M0+ 內核、片上閃存、可信安全知識產權 （TSIP） 塊、14 位模數轉換器 （ADC）、定時器和多個外設接口（圖 2）。

圖 2：為簡化電池供電型設備設計而打造的 Renesas RE01 微控制器系列將一個完整的能量收集控制器與低功耗 Arm Cortex-M0+ 處理器內核、片上閃存以及多個外設和接口結合在一起。（圖片來源：Renesas）

　　RE01 集成了全套相關外設功能，旨在簡化電池供電型物聯網設備的實現。除了其用于傳感器集成的 ADC 和串行接口外，該器件還包括一個能夠驅動多達三個電機的電機驅動控制電路（圖 2 中的 “MTDV” 塊）；一個能夠驅動三個外部發光二極管 （LED） 的恒流源；以及一個低速脈沖發生器 （LPG）。在顯示輸出方面，RE01 MCU 集成了一個用于二維 （2D） 圖像處理的圖形加速器，以及一個像素存儲器 （MIP） 液晶顯示器（LCD） 控制器。為了滿足實時控制的要求，MCU 還包括看門狗定時器、實時時鐘 （RTC） 和保持時鐘精度的時鐘校正電路 （CCC）。針對軟件代碼和數據，RE01 系列推出了成員器件 R7F0E015D2CFP （RE01 1500KB） 和 R7F0E01182CFM （RE01 256KB），除結合了上述功能外，還包括了一定數量的存儲空間，前者帶 1500 千字節的閃存，后者帶 256 千字節的閃存。

　　RE01 MCU 不但功能強大，而且還提供了大量選擇，以便在性能和功耗之間找到所需的平衡。該 MCU 可以在多種工作模式下運行，通過將工作頻率從最高 64 MHz 速率降低到 32.768 千赫茲 （kHz） 的低漏電流模式，從而最大限度地降低了功耗，同時正常工作模式下中間頻率為 32 MHz 或 2 MHz。在典型工作狀態下，R7F0E015D2CFP RE01 1500KB 通常僅消耗 35 微安/兆赫 （μA/MHz） 有功電流，在 1.62 伏的待機模式下僅消耗 500 納安 （nA） 電流。其 14 位 ADC 的耗電量僅為 4 微安，閃存編程重寫僅需約 0.6毫安 （mA）。為了給這些正常操作提供電源，RE01 MCU 的 EHC 集成了一套廣泛的功能，旨在簡化能量收集和電池管理的實現。

　　集成式能量收集控制器簡化了設計

　　得益于其集成的 EHC，RE01 MCU 讓能量收集的實現成為一個相當常規的操作。開發人員只需將太陽能電池、TEG 或振動傳感器等發電元件直接連接到 MCU 的 VSC_VCC 和 VSC_GND 引腳。當環境能量充足時，EHC 就可以驅動 MCU 輸出引腳為二次電池 （VBAT_EHC）、儲能電容器 （VCC_SU） 或其他外部設備充電（圖 3）。

圖 3：Renesas RE01 MCU 的集成能量收集控制器讓開發人員可以快速利用能量收集的優勢。（圖片來源：Renesas）

　　設計的簡潔性源于 RE01 微控制器內包含的全套功能塊，如圖 4 所示。

圖 4：Renesas RE01 MCU 的集成能量收集控制器包括利用發電元件產生所需電壓輸出所需的所有功能。（圖片來源：Renesas）

　　除了其功能模塊外，EHC 還提供了多個電壓監測電路以及多個狀態和控制寄存器，以協調電力傳輸。例如，發電元件狀態標志 （ENOUT） 表示該元件是否在產生電流。相反，充電目標監測標志 （CMPOUT） 表示充電電壓是施加在二次電池上還是施加在儲能電容器上。在 EHC 處理與啟動、正常操作和電池耗盡相關的操作狀態時，這些功能中的每一個都發揮著作用（圖 5）。

圖 5：利用內部電壓監控器、狀態標志和寄存器，Renesas RE01 MCU 的集成能量收集控制器支持從初始充電到耗盡的整個充電序列。（圖片來源：Renesas）

　　當發電元件與該 MCU 連接后，EHC 就進入初始充電期。在這里，EHC 讓電源流向 VCC_SU，為儲能電容器充電，直到 VCC_SU 上的電壓水平超過特定的閾值電壓水平 VCC_SU_H。此時，EHC 就會使用儲能電容器開始向系統域 VCC 供電。當 VCC 超過開機閾值電壓 （VPOR） 時，上電復位信號變為高電平，從而使器件從復位中釋放出來，同時使 ENOUT 置為高電平，表明發電元件處于活動狀態。

　　上電復位釋放后，EHC 的 VBAT_EHC 充電控制寄存器 VBATCTL 被置為 11b，允許器件開始對二次電池充電。事實上，在此期間，EHC 在二次電池和儲能電容器之間交替充電輸出，以維持電池充電時的 VCC 供電。當儲能電容器電壓低于下閾值電壓水平 VCC_SU_L 時，EHC 將電源切換到 VCC_SU，直到其達到上閾值 VCC_SU_H 水平，此時恢復對二次電池的充電。這個過程一直持續到 VBAT_EHC 上的蓄電池電壓達到 VBAT 閾值，即 VBAT_CHG（圖 6）。

圖 6：即使在 Renesas RE01 MCU 的集成能量收集控制器 （EHC） 開始為器件的電池充電后，EHC 仍會繼續保持對存儲電容器的充電，同時儲能電容器則為 VCC 系統提供電源，直到電池完全充滿電。（圖片來源：Renesas）

　　電池充電后，QUICKMODE 位被置位，使 EHC 進入穩定工作狀態。在這種狀態下，EHC 繼續從發電元件對電池充電，同時從電池向 VCC 域供電。

　　如果環境能量下降，發電元件停止供電，EHC 則繼續從電池提供 VCC。最終，內部電壓監控器將檢測到 VBAT_EHC 已降至預設閾值 Vdet1 以下，QUICKMODE 位將被置零。一旦該位被置零，電源即會切斷 VCC 域，EHC 寄存器被初始化。VCC 進一步降低到 VPOR 以下引起器件重置上電復位信號。為了恢復操作，器件必須相應地在環境能量上升到足夠的水平后執行初始充電序列。

　　評估套件有助于進行快速原型設計

　　雖然 RE01 內置的 EHC 不需要額外的組件，但要利用其功能，開發人員仍然需要對器件進行配置，并執行上述規定的一系列操作。為了幫助開發人員快速進入 RE01 系列的快速原型設計和定制開發，Renesas 分別為 RE01 1500KB 和 RE01 256KB 提供了 RTK70E015DS00000BE 和 RTK70E0118S00000BJ 即用型評估套件。事實上，RE01 1500KB 套件提供的是一個交鑰匙式開發平臺，包括 RE01 1500KB MCU 板（圖 7）、一塊 LCD 擴展板、一塊太陽能電池板和一根 USB 電纜。除了 RE01 MCU，該開發板還包括一個存儲超級電容器、一個接外部可充電電池的連接器、開關、LED、板載調試器和多個接口連接器（包括一個 Arduino Uno 針座）。

圖 7：Renesas RE01 1500KB 評估套件包括一塊 RE01 1500KB MCU 板，帶有板載調試器和多種接口選項，旨在幫助設計人員進行評估、原型設計和定制開發。（圖片來源：Renesas）

　　除了評估套件中提供的硬件開發平臺，Renesas 還提供了全套軟件包，用于在 IAR Systems 的 Embedded Workbench 集成開發環境 （IDE） 或 Renesas 自己的 e2Studio IDE 下運行。該軟件基于 Arm 的 Cortex 微控制器軟件接口標準 （CMSIS） 驅動程序包構建，使用了 Arm 處理器代碼開發人員所熟悉的軟件結構。

　　也許最重要的是，Renesas 軟件包中的示例例程為定制軟件開發提供了可執行的模板。例如，圖 5 中所示的 EHC 操作序列實現需要附帶一系列初始化程序，以便在諸如初始充電和二次電池充電等關鍵階段最大限度地降低功耗。隨示例軟件提供的啟動例程則演示了這些初始化和設置程序的每個步驟。更貼心的是，Renesas 還為開發人員提供了一個清晰的路徑，讓他們在使用這個啟動例程時可以根據需要改變參數，并將自己的軟件代碼插入到啟動序列中（圖 8）。

圖 8：在 Renesas 軟件發行版中，包含了啟動 RE01 MCU 能量收集功能的示例代碼，這些代碼可展示每一個所需的步驟，同時突出顯示了開發人員可以修改參數或插入自己軟件代碼的地方。（圖片來源：Renesas）

　　利用 Renesas 評估套件和相關軟件包，開發人員可以快速探索 RE01 MCU 的不同工作模式，并評估能量收集方法。隨后就可以將這個環境作為一個有效的平臺，快速構建自己的應用原型并進行定制開發。

　　結語

　　在物聯網設備等低功耗系統中，能量收集為減小電池體積和延長電池壽命提供了有效的解決方案，但這種方法會大大增加整體設計的尺寸、復雜性和成本。因此我們需要采取更加一體化的辦法。

　　Renesas 的 MCU 系列在一個模塊中封裝了多個功能塊和外設，包括了完整的片上能量收集子系統，因此可以簡化能量收集系統的設計。同時通過使用相關的開發板和軟件，開發人員可以快速進行評估、原型制作和定制設計構建，讓小型、低成本設備充分利用能量收集的優勢。