在創建由環境能源供電的基于 MCU 的設計時，工程師可能會遇到斷電甚至間歇性斷電。電源監控和上電復位排序在確保這些設計正常運行方面發揮著關鍵作用。對于這些設計，工程師可以通過將一些簡單的技術與 Atmel、Diodes Incorporated、Fairchild Semiconductor、Linear Technology、Micrel、Microchip Technology、ON Semiconductor、Silicon Labs、STMicroelectronics和德州儀器等。

　　在環境能源的支持下，基于 MCU 的設計（例如無線傳感器、智能設備和新興的物聯網 （IoT） 微粒）有望實現長達數十年的無電池運行理想。在實踐中，任何實際的環境源都可能循環低于所需的最低功率水平，甚至由于例如穿過太陽能電池的陰影或驅動壓電換能器的振動下降而暫時降至零。

　　超級電容器或薄膜電池等儲能設備可以在環境能量下降或損失期間提供持續的電力。然而，在任何實際設計中，即使在其超低功耗睡眠模式下，漏電流和 MCU 功耗的結合最終也會耗盡可用的電力儲備。事實上，設計人員不能簡單地依靠 MCU 低功耗模式來確保能量受限收集設計中的可用功率。典型的基于 MCU 的無線傳感器在擴展睡眠狀態下可能會比在活動狀態下消耗更多的總功率（圖 1）。即使使用業界功耗最低的 MCU 系列中的器件，設計人員也面臨這一挑戰，例如 Atmel tinyAVR、Microchip Technology XLP、Silicon LabsZero Gecko、意法半導體STM32 L1、德州儀器 8-MHz MSP430x1xx和 16-MHz MSP430x2xx以及其他 MCU 系列。

　　圖 1：低占空比應用（例如無線溫度傳感器）可能會發現，即使是超低功耗 MCU，在擴展睡眠狀態下也比在活動狀態下消耗更多的總功率（德州儀器提供）。

　　事實上，典型的能量收集設計可能會在其部署生命周期的某個時刻面臨暫時的斷電或斷電。如果允許繼續運行，MCU 可能會進入不確定的狀態，存儲設備（例如鋰離子電池）可能會過度放電，甚至遭受相應的損壞。因此，工程師需要確保他們的能量收集系統對斷電做出適當響應，并在再次獲得足夠能量時通過上電復位恢復。

　　在傳統的基于 MCU 的系統中，工程師可以預期上電復位將可靠且快速地執行，從而恢復正常操作。然而，在能量收集設計中，與環境源相關的能量限制需要更多地關注上電復位過程本身。上電復位可能需要比正常操作更多的能量。并且通常需要比能量收集電源持續提供的更多能量。因此，工程師通常需要采用 IC 和設計技術來延遲上電復位的開始，直到能量收集系統能夠積累足夠的能量來完成上電復位過程。

　　設計人員可以使用一個簡單的電路在能量收集設計中實現成功的上電復位，該電路監控電源電壓，并僅在能量收集級的電壓電平超過指定閾值時才向負載供電。通常，系統會從未通電狀態啟動操作，其主要能量存儲元件通過電池保護電路與系統斷開連接。當能量開始從能量收集器流出時，它通常會專門用于為電容器充電，隨后將使用該電容器為上電復位提供能量。當該電容器充電時，負載將保持斷開狀態，以最大限度地減少任何額外的功耗。

　　在采集器和 MCU 之間放置了一個開關，確保 MCU 保持與電源斷開，直到能量水平足以確保 MCU 可以完成其上電復位活動（圖 2）。在這里，一個簡單的電路將電壓基準與低功率監視器（例如凌力爾特LTC2935）相結合，以控制 Diodes Incorporated ZXMN2F30FH MOSFET 器件為 MCU 供電。

　　圖 2：在受控上電復位電路的核心，具有電壓比較器功能的器件將 MCU 與能量收集器解耦，直到存儲電容器積累足夠的能量以確保完全執行 MCU 上電復位序列（禮貌硅實驗室）。

　　作為該電路的核心，LTC2935 是一款超低功耗電壓監控器 IC，旨在提供系統初始化、電源故障警告和復位生成功能。除了可配置的復位閾值外，該器件還通過其電源故障輸出信號對即將發生的低電壓狀況提供預警。

　　設計人員還可以利用穩壓器和轉換器提供的“電源良好”信號。例如，Fairchild Semiconductor 等低壓差 （LDO） 穩壓器FAN2558和 ON Semiconductor NCP3337具有集成比較器，可在專用輸出引腳上提供電源良好信號（圖 3）。

　　圖 3：LDO 穩壓器（例如 ON Semiconductor NCP3337）集成了一個比較器，以在輸出電壓達到或超過指定閾值電壓電平時提供“電源正常”信號（由 ON Semiconductor 提供）。

　　設計人員可以采用類似的方法，使用德州儀器TPS62125等 DC/DC 降壓轉換器。TPS62125 包括一個精確的低功耗啟用比較器，可用于提供電源良好信號以滿足系統特定的上電和斷電要求。使能比較器僅消耗 6 μA 靜態電流，并具有 1.2 V 的準確閾值（典型值）以及可調節的遲滯。

　　在實踐中，上電復位電路通常會在達到所需的電壓閾值后在發出上電使能之前插入一個短暫的延遲。額外的延遲允許電力存儲設備有額外的時間完全充電和輸出源穩定。因此，設備制造商將在啟用電源良好信號之前在其集成電源良好電路中建立延遲。例如，FAN2558 在輸出電壓達到閾值和電源良好信號啟用之間具有 2 ms 的固定延遲。

　　設計人員還可以找到允許可編程延遲的設備。例如，麥克雷爾MIC5249 LDO 具有可編程的上電復位延遲。在這里，設計人員可以使用根據以下公式確定大小的電容器來設置所需的延遲時間：

　　其中 I DELAY = 0.55 μA 和 V DELAY = 1.4 V。

　　簡單的電壓監控器 IC 和電源良好信號輸出可滿足許多基于 MCU 的能量收集設計所面臨的基本要求。對于更復雜的電源排序要求，電源監控器 IC（例如德州儀器TPS3619和凌力爾特LTC2928）可提供更復雜的功能。借助凌力爾特 LTC2928 IC，設計人員只需幾個外部組件即可同時在四個不同通道上對閾值、排序和時序進行排序。

　　結論

　　能量收集技術可以使設計人員確保基于 MCU 的設計能夠持續運行多年。然而，環境能量水平的間歇性降低會導致斷電和斷電。在基于環境供電的 MCU 設計中，傳統的上電復位功能可能不足以在斷電后恢復操作。使用可用的 IC 和電源排序技術，工程師可以確保可靠的上電復位，盡管在能量收集設計中通常會遇到限制。