工業(yè)4.0是一個(gè)術(shù)語，描述了虛實(shí)融合系統(tǒng)對(duì)工廠產(chǎn)生革命性影響的展望。在近期的一篇與這個(gè)概念有關(guān)的德文文章中，我討論了到目前為止，工業(yè)革命如何成為全新數(shù)據(jù)管理與新能源支配和使用的組合產(chǎn)物—而正是這個(gè)能量采集為工業(yè)4.0的運(yùn)行提供了源源不斷的動(dòng)力。由于針對(duì)成功能量采集的最佳做法沒有得到很好地分享，限制了這些設(shè)計(jì)的成功率，我將在本篇博文中分享這些最佳做法中的一部分。

我經(jīng)常被問到一個(gè)問題，那就是設(shè)計(jì)一個(gè)最佳能量采集系統(tǒng)的訣竅是什么。在這篇博文中，我將討論在能量采集設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)出一個(gè)“熊”系統(tǒng)要比設(shè)計(jì)出一個(gè)“樹懶”系統(tǒng)更重要。

能量采集系統(tǒng)的秘訣就是要與熊很相似，熊能夠：

知道冬天何時(shí)來臨，并且能夠適應(yīng)隨之而來的氣候變化。

能夠以足夠快的速度捕魚來應(yīng)對(duì)冬天的到來。

在環(huán)境需要時(shí)大幅度地減少新陳代謝速度（冬眠）。

在外部環(huán)境刺激它的感官時(shí)，非常迅速地從冬眠中醒來。

在能量采集時(shí)最容易犯的錯(cuò)誤就是像樹懶一樣，樹懶：

無法適應(yīng)多變的環(huán)境（它的自然棲息地的有限性正好說明了這一點(diǎn)）。

當(dāng)生存受到威脅時(shí)，幾乎不能夠加快運(yùn)動(dòng)的速度。

不能根據(jù)周遭環(huán)境的變化來調(diào)節(jié)消耗的能量，而總是將它保持在最低水平。

但是，我們?cè)鯓硬拍軐鋺泻托苻D(zhuǎn)化為嵌入式電子系統(tǒng)呢？雖然也許需要一整篇博文才能把這個(gè)問題解釋清楚，不過大多數(shù)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該已經(jīng)知道的是，一塊太陽能電池能夠在任何地方產(chǎn)生能量，在同樣平方厘米大小的光伏活動(dòng)區(qū)域內(nèi)，發(fā)電的功率在0（無光照），2.5µW（光照弱），直到最高10mW（陽光充足）范圍內(nèi)。類似于熊的系統(tǒng)將能夠采集全部這些能量，而與樹懶相似的系統(tǒng)將針對(duì)最差情況電源進(jìn)行了優(yōu)化，比如說1µW。自然情況下，樹懶方法限制了采集周圍能量的機(jī)會(huì)，并且不能夠適應(yīng)全新的環(huán)境條件，從而限制了這些系統(tǒng)能夠提供給用戶的優(yōu)勢(shì)。

你也許會(huì)問，如何才能真正設(shè)計(jì)出一款運(yùn)行方式類似于熊的系統(tǒng)呢？其中的一個(gè)入手點(diǎn)就是針對(duì)熱電發(fā)電機(jī) (TEG) 的通用能量采集適配器模塊TI Designs參考設(shè)計(jì)。在這個(gè)最低功耗模式中，這個(gè)設(shè)計(jì)運(yùn)行電流為60nA，并且能夠以80%以上的效率采集40µW到數(shù)百毫瓦的能量。此外，當(dāng)系統(tǒng)處于冬眠模式時(shí)，它能夠隨時(shí)喚醒，以應(yīng)對(duì)環(huán)境變化。

由于針對(duì)超低功耗和能量采集的TI器件的獨(dú)特組合，有可能實(shí)現(xiàn)這一性能：TPL5100可編程定時(shí)器和bq25570電源管理集成電路 (IC)，加上業(yè)內(nèi)最低功耗微控制器單元 (MCU)，MSP430FR5969 MCU，以及最低功耗比較器，TLV3691。

TPL5100生成這個(gè)參考設(shè)計(jì)的“心跳”。這款定時(shí)器的最佳特性是能夠以30nA的電流運(yùn)行，此外，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部管理功能 (housekeeping)，還可以定期喚醒MSP430™ MCU。當(dāng)我在幫助設(shè)計(jì)這款I(lǐng)C時(shí)，我希望能夠生成一個(gè)到超低功耗MCU的中斷，比如說MSP430FR5969 MCU，或者是斷開負(fù)載。在這個(gè)TI Designs參考設(shè)計(jì)中，我正在為你演示的是第一種方式下的使用方法。

為了采集周圍環(huán)境中的能量，我選擇的是bq25570；這是一款DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器，它能夠在運(yùn)行動(dòng)態(tài)最大功率點(diǎn)追蹤 (MPPT) 的同時(shí)，將90%的輸入能源（功率可低至100µW）轉(zhuǎn)換為電能，這款器件也可斷電，斷電后的功率只有1nW。

這個(gè)系統(tǒng)的大腦是MSP430FR5969 MCU。在最低功率模式下 (LPM4.5) ，這款MCU在保持通用輸入/輸出 (GPIO) 功能，以實(shí)現(xiàn)異步中斷，或者直接為系統(tǒng)的低功耗功能供電的情況下，流耗只有20nA。

將熊從冬眠中喚醒的“感官刺激”來自TLV3691，一款運(yùn)行電流只有75nA的比較器，并且被設(shè)計(jì)為監(jiān)視輸入電壓。由于它的低功耗特性，MSP430FR5969 MCU的GPIO可以為這款比較器供電，并根據(jù)需要將其打開和關(guān)閉。

圖2：這個(gè)參考設(shè)計(jì)的方框圖，采用的是BoosterPack外形尺寸，以實(shí)現(xiàn)快速原型設(shè)計(jì)

如果你正打算設(shè)計(jì)一個(gè)功耗極低或者以能量采集為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，你可以看一看這個(gè)參考設(shè)計(jì)中的電路原理圖、布局布線和測(cè)試數(shù)據(jù)。如果你有任何成功經(jīng)驗(yàn)，或者你在以前的設(shè)計(jì)中曾經(jīng)遇到的設(shè)計(jì)難題，請(qǐng)?jiān)谙路脚c我們分享。

一定要使你的能量采集系統(tǒng)像熊一樣，并使它具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，并且占據(jù)主導(dǎo)地位，成為整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的主宰！

其它資源

下載針對(duì)熱電發(fā)電機(jī) (TEG) TI Designs參考設(shè)計(jì)的普通能量采集適配器模塊的電路原理圖、測(cè)試數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)文件和物料清單。

在這篇德語文章中了解工業(yè)4.0將有能量采集推動(dòng)的原因。

如果你的能量采集系統(tǒng)需要與主系統(tǒng)隔離，請(qǐng)從這個(gè)TI Designs參考設(shè)計(jì) (TIDA-00349) 中下載電路原理圖。