“零功率”設備使用來自環境源的能量，帶來了重大的電源管理挑戰。能夠有效收集能量的電路必須響應不斷變化的電力需求，同時消耗可忽略的能量。通過使用開發套件，工程師可以快速獲得設計能量收集應用的經驗并加速新產品開發。能量收集開發套件通常提供完整的零功率樣品應用設計，可從Cymbet，EnOcean，Microchip，Silicon Labs和Texas Instruments等供應商處獲得。

能量收集設計需要特別注意待機和峰值功率需求，因為它們所依賴的環境源僅提供微瓦的瞬時功率（見圖1）。待機模式下的有效設計必須為應用提供足夠的功率，并且通常還必須為具有低自放電的電力存儲設備充電，例如薄膜電池，超級電容器或兩者。

在高需求期間，存儲設備必須提供足夠的容量來處理峰值負載，并仍保留足夠的電量以安全地返回待機模式。在一些能量收集應用中，峰值功率需求可能很大。例如，在設備必須對傳感器進行采樣并同時傳輸數據的時段期間，零功率無線傳感器通常需要超過10mA，這遠遠高于可直接從環境源獲得的功率水平。

圖1：能量收集設計主要是能源管理的一項練習，需要能夠使用薄膜器件處理能量輸入，功率輸出和能量存儲的高效電路或超級電容器。 （來源：SiLabs。）工程師熟悉設計有效功率預算的挑戰。然而，能量收集產生了關于如何平衡能量可用性和電力利用率的新問題。特別是，工程師需要關注系統初始化需求，特別是在冷啟動期間，當能量收集系統啟動或重啟而沒有存儲電源時。出現這種情況是因為設備已關閉或因為其主要能源長時間不可用。例如，光源無線傳感器在黑暗中長時間后必須冷啟動。

要成功管理冷啟動，工程師必須設計具有啟動程序的應用程序，能夠延遲耗電的初始化程序，直到功率水平達到所需閾值。例如，設計可能需要在首次上電時立即切換到低功耗狀態，然后等待能量收集子系統累積足夠的功率進行初始化以安全地繼續完成，或者繼續進行下一步的初始化序列。

隨著能源的出現，工程師可以按要求的順序開啟不同的子系統，以維持進一步的能量收集和應用處理。例如，許多用于能量收集應用的半導體器件包括用信號通知可用能量已達到某個閾值的電路的機制。反過來，微控制器單元（MCU）或其他控制電路可以使用這些信號來實現具有單獨功率利用水平的更復雜的活動序列。

能量收集設計套件為這些關鍵電源管理問題提供經過驗證的硬件和軟件解決方案。軟件開發資源為工程師提供了監控能源生產的機制，并嘗試使用替代方案來平衡能源使用和收集。大多數工具包都預先配置了特定的應用程序，或提供詳細的設計信息來構建一個。

例如，德州儀器（TI）將其eZ430-RF2500-SEH傳感器監視器預先配置為零功率無線傳感器節點。工程師可以監控節點在個人計算機上的活動。除了基于微控制器的完整硬件補充 - 包括太陽能電池板和一對EnerChip薄膜可充電存儲設備 - TI還為該套件預裝了可編程無線溫度傳感器節點的固件。節點可以測量自己的溫度，從其他節點接收數據，并通過套件提供的USB連接將數據傳輸到PC。 TI的套件通過充電控制模塊滿足能量收集的特定電源管理需求，該模塊可持續監控升壓轉換器的輸出并管理電池充電和放電周期（參見圖2）。

圖2：太陽能收集模塊是德州儀器（TI）eZ430-RF2500-SEH開發套件的核心，依靠電源管理模塊來防止存儲設備在低光照條件下放電過深。來源：德州儀器（TI）

Microchip提供一對能量收集開發套件：用于射頻能量收集的TPWR001套件和用于太陽能收集的DV164133套件。 TPWR001設計為使用環境射頻能量的完整無線應用，可為RF傳感器，溫度傳感器，樓宇自動化和安全等低功耗應用提供服務。該套件包括一個3 W Powercaster變送器作為電源，帶有兩個P2110 Powerharvester接收器評估板，兩個定制設計的無線傳感器板，一個IEEE 802.15.4收發器和預先配置了無線傳感器的Microchip PIC 16位MCU開發板應用軟件。該套件通過Microchip免費的MPLAB集成開發環境（IDE）和PICkit 3編程器和調試器支持軟件開發和編程。

Microchip包括兩個帶有DV164133套件的Cymbet EnerChip設備，以及適用于室內或室外燈的太陽能電池板。該套件依靠其PIC24F MCU來監控基于Microchip和Cymbet開發的Energy Aware軟件算法的功率調節和容量。使用套件的USB連接將數據傳輸到PC，工程師可以探索通過能量收集平衡功率和優化功率使用的替代方案。

除了自己的EDK 300基線開發套件外，EnOcean還提供一系列用于不同類型能源的附加裝置，包括環境太陽能和熱源。工程師可以從EnOcean EDK 300或300C基本開發套件開始，并通過EDK 310 Solar Developer套件升級或EDK 312 Thermo Developer套件升級擴展設計。 EnOcean的套件包括應用程序編程接口，可以訪問EnOcean Dolphin軟件堆棧和支持函數庫（參見圖3）。

圖3：EnOcean的開發套件包括與其Dolphin平臺接口的應用程序編程以及從電路板支持到電源管理的軟件堆棧。 （資料來源：EnOcean。）

Cymbet將CBC-EVAL-09設計為通用能量收集評估套件，工程師可將其連接到各種能量傳感器，例如隨套件提供的太陽能電池。該套件包括Cymbet的EnerChip EP CBC915-ACA能量處理器和EnerChip CBC51100100μAh固態電池模塊，該模塊包含一對并聯50μAh的EnerChip器件。

Silicon Labs（SiLabs）ENERGY-HARVEST-RD套件是基于SiLabs無線設備的超低功耗無線傳感器的參考設計。除了用于數據通信的無線加密狗外，該套件還包括一個基于該公司Si1012無線MCU的無線傳感器節點。該設計使用太陽能收集，僅需50 lux即可在待機模式下運行。這使得工程師可以嘗試在低光照條件下長期運行的設計。

能量收集在零功率設計方面具有巨大潛力，例如無線傳感器節點，溫度傳感器和安全設備。設計有效的能量收集解決方案需要克服熟悉的電源管理挑戰。能量收集開發套件提供了一種快速獲得設計能量收集系統（包括半導體設備）經驗的有效方法。