使用能源採集微控制器就無需更換 IoT 電池

非綁線物聯網 (IoT) 裝置的設計人員不斷在尋找更好的裝置供電方式，以便將消費性、商業或工業應用的停機時間降至最低。主電池必須持續監測，且最終要替換時還會帶來明顯的棄置問題。充電式電池即便能解決棄置問題，但裝置要先拆卸、再次充電，最後再次安裝。

傳統作法有所限制，因此能源採集技術漸受關注，要使用環境能源供電給裝置。設計人員會面臨的問題在於，採集能源及電池充電所需的電路會大幅增加設計複雜性、尺寸以及成本。

本文將概述能源採集在 IoT 應用中的使用，並說明設計人員面臨的一些難題。接著會介紹克服這些難題的作法，就是在微控制器 (MCU) 中整合能源採集與電池充電管理電路。本文將以 Renesas 的裝置解決方案及相關評估板為例，說明如何有效用此作法省去 IoT 裝置更換電池的需求。

為何要在 IoT 中使用能源採集？

能源採集對 IoT 應用來說是相當具有吸引力的解決方案，例如在低功率無線感測器系統中，就可藉此部署完全無需電線的裝置，僅需少量甚至不需要維護。一般來說，這些裝置仍需要充電式電池或超級電容以符合峰值功率的要求。

原則上來說，透過環境能源採集，系統就可採用較小的儲能裝置，並可延長使用壽命。如此一來，IoT 設計就有機會可納入到較小的封裝中，前提是能源採集功能只會讓設計的零件數微幅增加。但就實務層面來看，要實作能源採集就要增添額外元件，因此嘗試要縮小設計覆蓋區時容易遭遇困難。

問題在於，能源採集電源通常需要另外的裝置來採集環境能源，且要確保儲能裝置 (如充電式電池或超級電容) 達到妥善的充電管理。要在原本就極簡的無線系統設計 (含有 MCU、感測器與無線射頻 (RF) 收發器) 中增添此額外功能，會讓只有少許零件的簡易設計變的更加複雜 (圖 1)。

圖 1：在 IoT 裝置中使用能源採集，使用者就可省去電池管理的麻煩，但額外的需求通常也會造成裝置變大、設計複雜性增加且成本提高，而這些情況都與非綁線 IoT 設計的需求背道而馳。(圖片來源：Renesas)

將 IoT 設計的元件數降至最低

目前，能源採集所需的多樣元件皆已整合到特殊模組與電源管理積體電路 (PMIC) 中，例如 Analog Devices 的 LTC3105/LTC3107、Cypress Semiconductor 的 S6AE101A、Matrix Industries 的 MCRY12-125Q-42DIT 等其他產品。這類裝置能從太陽能電池、熱電發電器 (TEG)、壓電振動傳感器或其他能源提供穩壓電軌。如此一來，就可當作完整的能源採集電源供應器，用在基本的 IoT 硬體設計中。但設計人員仍要挑戰極限以滿足應用需求，並且維持或達到競爭優勢。

Renesas 的 RE01 MCU 系列有助於達成目標，能更進一步發揮整合作法，將能源採集控制器 (EHC) 納入到裝置中。實際上，RE01 MCU 可使用內建的 EHC 對充電式電池充電，同時提供系統電力給裝置的其他部位。RE01 不僅僅是能源採集裝置而已，除了 ECH 外更納入 64 MHz Arm® Cortex®-M0+ 核心、晶片上快閃記憶體、可信賴安全智慧財產 (TSIP) 區塊、14 位元類比數位轉換器 (ADC)、計時器，以及多個周邊裝置介面。

圖 2：Renesas 的 RE01 微控制器系列能簡化電池供電式裝置的設計，結合了完整的能源採集控制器與低功率 Arm Cortex-M0+ 處理器核心、晶片上快閃記憶體以及多個周邊裝置介面。(圖片來源：Renesas)

RE01 整合了完整的相關周邊功能，可簡化電池供電式 IoT 裝置的實作。除了 ADC 以及感測器整合用的序列介面外，此裝置更含有馬達驅動器控制電路 (圖 2 的 MTDC 區塊)，可驅動多達三部馬達；恆定電流源，可驅動三個外部發光二極體 (LED)；低速脈衝產生器 (LPG)。針對顯示輸出，RE01 MCU 整合了 2D 影像處理用的圖形加速器，以及像素內嵌記憶體 (MIP) 液晶顯示器 (LCD) 控制器。為了滿足即時控制需求，此 MCU 亦含有監控設備計時器、即時時脈 (RTC) 以及時脈校正電路 (CCC)，以便維持時脈精確度。針對軟體程式碼與資料，RE01 系列成員都兼具上述功能性，包括 R7F0E015D2CFP (RE01 1500KB) 具有 1500 KB 快閃記憶體、R7F0E01182CFM (RE01 256KB) 具有 256 KB。

除了功能外，RE01 MCU 還提供眾多選項，可在效能及功耗之間取得必要的平衡。MCU 有多種工作模式，可在低漏電流模式下將工作頻率從最大 64 MHz 降低至 32.768 kHz，藉此將功耗降至最低，在一般工作模式下則採中間頻率 32 MHz 或 2 MHz。在一般工作下，R7F0E015D2CFP RE01 1500 KB 通常僅會消耗 35 μA/MHz 有功電流，在 1.62 V 待機模式下則僅消耗 500 nA 電流。其 14 位元 ADC 僅消耗 4 μA，快閃記憶體編程重寫僅需大約 0.6 mA。為了供電因應這些一般工作，RE01 MCU 的 EHC 整合豐富的功能，專門簡化能源採集及電池管理的實作。

整合式能源採集控制器可簡化設計

多虧整合式 EHC，RE01 MCU 能讓能源採集的實作如同例行作業一樣。開發人員僅需將發電元件，例如太陽能電池、TEG 或振動傳感器，直接連接到 MCU 的 VSC_VCC 及 VSC_GND 引腳。若有充裕的環境能源，EHC 即可驅動 MCU 輸出引腳對充電式電池 (VBAT_EHC)、儲能電容 (VCC_SU) 及其他外接裝置充電 (圖 3)。

圖 3：Renesas RE01 MCU 的整合式能源採集控制器能讓開發人員快速發揮能源採集的優勢。(圖片來源：Renesas)

此設計簡便性源自於 RE01 MCU 內部全套的功能區塊，如圖 4 所示。

圖 4：Renesas RE01 MCU 的整合式能源採集控制器含有所有必要的功能，可運用發電元件來產生必要的電壓輸出。(圖片來源：Renesas)

除了功能區塊外，EHC 亦提供多個電壓監測電路，以及多個狀態與控制暫存器，可協調電力傳輸。舉例而言，發電元件狀態旗標 (ENOUT) 可指出該元件是否正在發電。相反地，充電目標監測旗標 (CMPOUT) 則可指出充電電壓是否正施加到充電式電池或施加到儲能電容。這些功能在 ECH 歷經與啟動、一般操作與電池耗盡相關的狀態時各司其職。

圖 5：Renesas RE01 MCU 的整合式能源採集控制器可透過內部電壓監測器、狀態旗標及暫存器，支援整個充電流程，從初期充電到耗盡為止。(圖片來源：Renesas)

發電元件連接 MCU 後，EHC 會進入初期充電階段。此時，ECH 會讓電力流到 VCC_SU，對儲能電容充電，直到 VCC_SU 的電壓位準超過指定電壓臨界值 (VCC_SU_H) 為止。EHC 接著會使用儲能電容開始供電給系統電域 VCC。當 VCC 超過電壓臨界值 (VPOR) 的電力時，開機重置訊號會進入高位，讓裝置離開重置，同時讓 ENOUT 進入高位，即表示發電元件開始作用。

發出開機重置後，EHC 的 VBAT_EHC 充電控制暫存器 VBATCTL 會設定成 11b，讓裝置開始對充電式電池充電。實際上，在此階段，EHC 的充電輸出會在充電式電池與儲能電容之間交替，以便維持 VCC 供電，同時進行電池充電。當儲能電容電壓降低至電壓臨界值低位 VCC_SU_L 以下時，EHC 會將電力切換到 VCC_SU，直到返回臨界值高位 VCC_SU_H 為止，就會繼續對充電式電池充電。此過程會持續直到 VBAT_EHC 的儲能電池電壓達到 VBAT 臨界值 VBAT_CHG 為止 (圖 6)。

圖 6：即便在 Renesas RE01 MCU 的整合式能源採集控制器 (EHC) 開始對裝置電池進行充電後，EHC 仍會繼續對儲能電容充電，以便提供 VCC 系統電力直到電池充飽為止。(圖片來源：Renesas)

電池充電後，就會設定 QUICKMODE 位元，讓 EHC 進入穩定工作狀態。在此狀態下，EHC 會繼續用發電元件對電池充電，同時從電池供電給 VCC 電域。

若環境能源減弱且發電元件停止供電，EHC 會繼續從電池供電給 VCC。最終內部電壓監測器會偵測到 VBAT_EHC 降低至預設臨界值 V_det1 以下，就會將 QUICKMODE 位元重置為零。位元設定後，VCC 電域的電力會切斷，EHC 暫存器會初始化。VCC 若繼續降低至 V_POR 以下，會導致裝置重置開機重置訊號。若要恢復操作，裝置必須在環境能源上升至充足程度後，依序執行初期充電流程。

評估套件可協助快速原型開發

即便 RE01 內建的 EHC 可省去額外元件的需求，若要發揮其功能，開發人員仍需進行裝置配置，並執行上述一系列指定操作。為了協助開發人員更快速進行原型開發，並且對 RE01 系列進行客製化開發，Renesas 針對 RE01 1500KB 及 RE01 256KB 分別提供就緒使用的 RTK70E015DS00000BE 與 RTK70E0118S00000BJ 評估套件。事實上，RE01 1500KB 套件提供立即可用的開發平台，其中含有 RE01 1500KB MCU 板 (圖 7)、LCD 擴充板、太陽能面板以及 USB 纜線。除了 RE01 MCU 外，開發板亦含有儲能超級電容、外接充電式電池連接器、開關、LED、板載除錯器、多個介面連接器，包括 Arduino Uno 排針座。

圖 7：Renesas 的 RE01 1500KB 評估套件含有 RE01 1500KB MCU 板，搭配板載除錯器以及多個介面選項，可輔助進行評估、原型開發與客製化開發。(圖片來源：Renesas)

除了在評估套件中提供硬體開發平台之外，Renesas 亦提供完整的軟體套裝組合，可在 IAR Systems 的 Embedded Workbench 整合式開發環境 (IDE)，或 Renesas 自家的 e² Studio IDE 中運行。此軟體以 Arm Cortex 微控制器軟體介面標準 (CMSIS) 驅動程式套裝為基礎建構，採用與開發人員熟悉的 Arm 處理器程式碼類似的軟體架構。

最重要的或許是，Renesas 軟體套裝中的範例常式，提供可執行的範本，可進行軟體客製化開發作業。舉例來說，實作圖 5 所示的 EHC 操作流程時，還需要一連串的初始化程序，以便在關鍵階段中將功耗降至最低，例如初期充電與充電式電池充電時。範例軟體中提供的起用常式，可展示各項初始化及設定程序。除此之外，Renesas 更提供明確的步驟，即可使用此起用常式變更必要的參數，以及將其專屬的軟體程式碼加入到起用流程中。

圖 8：在 Renesas 軟體釋出版本中，起用 RE01 MCU 能源採集功能的範例程式碼可展示各項必要步驟，同時指出開發人員可修改參數或插入其專屬軟體程式碼之處。(圖片來源：Renesas)

使用 Renesas 評估套件與相關軟體套裝，開發人員即可迅速探索 RE01 MCU 不同的操作模式，並評估能源採集方法。接著，此開發環境即可提供有效的平台，讓您快速針對您專屬的應用進行原型開發與客製化開發作業。

結論

能源採集是在 IoT 裝置等低功率系統中縮小電池尺寸並延長電池續航力的有效解決方案，但此作法會明顯增加整體設計尺寸、複雜度及成本。因此較高整合度的作法更令人趨之若鶩。

Renesas 的 MCU 系列除了納入多個功能區塊及周邊之外，更含有完整的晶片上能源採集子系統，能讓能源採集系統設計更順暢且簡化。只要搭配相關的開發板與軟體，開發人員就可迅速開始評估、原型開發並打造客製化的設計，利用小型低成本裝置完全發揮能源採集的優勢。