由環境能源驅動的設計在長期存儲中部署時面臨著獨特的挑戰。由于沒有可用的能量儲備，這些設計必須遵循為各個電路元件供電的仔細順序，特別是在初始化期間可能表現出顯著功率需求的微控制器（MCU）等設備。對于工程師而言，通過應用ADI公司，凌力爾特公司，Maxim Integrated等制造商的電壓監控器和專用能量采集設備，可以更加輕松地從“冷啟動”成功啟動基于MCU的能量采集設計。 Microchip Technology，Silicon Labs和Texas Instruments等。

對于由環境源供電的設計，波動的能量水平通常決定使用儲能設備，如可充電電池或超級電容器，以通過能量峰值和谷值維持標稱功率可用性。然而，對于從存儲中獲取的能量收集設計或者在沒有能量源的情況下長時間離開，很少有實際的能量存儲設備能夠在這些時段期間保持足夠的電荷以允許快速恢復電路操作。因此，設計人員需要采用旨在確保上電過程順利進行的策略。在許多情況下，簡單地將休眠電路暴露于其環境電源將不足以可靠地恢復操作。實際上，隨著功率水平開始上升，這些設計必須確保有足夠的功率來支持高功耗設備（如MCU和無線收發器）的正確初始化。

上電復位

對于線路供電設計或來自高能源的一次繪圖電源，電路初始化的更精細細節很少成為問題。然而，即使有足夠的可用功率，電路也需要仔細排序，以確保其他元件所需的模塊在使用前完全初始化和供電。在典型的基于MCU的設計中，簡單的上電復位IC，如ADI公司的ADM6711和ADM6713，Microchip Technology TCM809和Texas Instruments TLV803，為處理器提供電源復位時序和電壓監控（圖1）。

圖1：上電復位IC，如ADI公司的ADM6711和ADM6713，為MCU的電源排序提供了簡單的解決方案。 ADM6711具有推挽輸出，無需額外的外部元件，而ADM6713提供漏極開路輸出，需要外部上拉電阻，并允許連接高于VCC的電壓。 （由Analog Devices提供）

此類器件通常監控電源電壓，并在上電，斷電以及電源電壓低于預設閾值時提供復位信號。這些類型的器件通常包括在產生復位信號之前100-200毫秒的內置延遲，以允許電源電壓在處理器重啟之前穩定。凌力爾特公司的LTC2935通過附加功能擴展了這些基本功能，包括預警電源失效輸出，當電源降至略低于最終復位閾值的閾值時發出信號。實際上，工程師可以找到具有廣泛復雜功率監控功能的電壓監控IC。

然而，對于由低能量環境光源供電的設計，確保從冷啟動開始可靠的電路激活可能需要更多的參與方法，而不僅僅是簡單的加電復位功能。例如，即使收集電路工作以積累足夠的能量，泄漏電流或亞閾值電路激活，諸如MCU之類的復雜設備也可能已經耗電，增加了達到閾值啟動水平所需的時間，或者在最壞的情況下，完全防止它。

功耗

在MCU中，器件啟動所涉及的內部電路可以在低于上電閾值時開始激活，即使在這個早期階段也會導致大量功耗（圖2）。在非采伐應用中，電源電壓快速接通，這種電流消耗幾乎不會記錄為功率曲線中的一個亮點。然而，在冷啟動能量收集應用中，電源電壓可以非常緩慢地上升，這種電流可能變得很大，甚至比收集電路從其環境源提取能量更快地耗電。在這種最壞情況但似乎合理的情況下，系統可能永遠不會達到開機閾值。

圖2：即使在超低功耗MCU中，內部管理電路也會在電源達到上電閾值之前開始充分利用電源 - 可能降低能量收集設計從低能量環境源冷啟動的能力。該電流曲線顯示當電源接近VDD時，從Silicon Labs Tiny Gecko MCU獲取的電流測量結果。 （由Silicon Labs提供）

此外，當電源達到上電閾值時，設計需要確保有足夠的能量來維持電路元件的電源初始化階段并進入正常工作狀態。諸如MCU的復雜設備在通電期間可能表現出相對高的功率需求。例如，當長時間未供電時，去耦電容將完全放電。當電源電壓接通時，去耦電容最初將顯示為短路，電流僅受電源線中電阻和電感的限制。

超出瞬態效應，初始化MCU和其他復雜設備的要求可能導致巨大的電力需求。例如，即使編程為在電源復位時立即進入睡眠模式，Silicon Labs Tiny Gecko MCU也會在300μs內消耗大約4 mA電流 - MCU從電源復位轉換到能量模式1（EM1）睡眠狀態所需的時間（圖3）。

圖3：隨著器件調出外設，存儲器，I/O緩沖器和處理器核心電路，MCU啟動電源要求可達到很高的水平。在這次啟動期間所需的功率測量中，Silicon Labs Tiny Gecko MCU在300μs時為這個快速處理器從電源復位轉換到睡眠狀態EM1所需的電流約為4 mA。 （由Silicon Labs提供）

為了防止MCU在能量存儲設備已經建立足夠的儲備以安全地為MCU上電之前耗盡所收集的能量，可以在收集電路和MCU之間插入開關。事實上，電路設計人員可以使用上面提到的電壓監控IC來控制邏輯電平門控MOSFET開關的柵極，用于將MCU與電源軌分開，直到功率達到標稱電平。

事實上，能量采集設計中成功的上電排序主要取決于能量存儲設備（如可充電電池或超級電容器）中累積的功率。因此，來自能量收集子系統的功率輸出通常最重要地應用于確保那些設備被完全充電。對于該功能，專門IC，例如Analog Devices公司ADP5090，凌力爾特LTC3331器，Maxim Integrated MAX17710和德州儀器BQ25570提供一種有效的解決方案，與片上電路組合能量采集功能進行充電的鋰離子電池或超級電容器。

結論

從“冷啟動”中提出能量收集設計需要特別注意電壓水平和累積能量的電流容量。如果沒有對具有大啟動功率要求的MCU和其他設備進行仔細的電源排序，則在啟動序列完成之前可以耗盡從環境能源獲取的功率，甚至導致啟動嘗試和故障的重復循環。通過結合使用可用的上電復位，電壓監控和儲能充電器IC，工程師可以確保其設計可靠地完成相對復雜的上電序列，同時從低能量環境源獲取能量。