能量收集技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)設備供電的發(fā)展現狀與未來(lái)趨勢

　　近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展吸引了大量投資，尤其是在機對機 (M2M) 接口技術(shù)和大數據處理領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)指的不僅是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接個(gè)人電腦和智能手機，還包括數十億“物體”與設備之間的連接。然而，如何為這數十億設備供電是設計工程師目前著(zhù)力思考的難題并需要尋求出行之有效的解決方案。盡管傳統電池電源能夠解決供電問(wèn)題，但必須經(jīng)過(guò)采購、維護和后期處理程序。而且，當設備安裝在偏遠位置時(shí)，更加大了維護電源的難度。

　　作為替代方案，能量收集技術(shù)能夠為遙距物聯(lián)網(wǎng)設備和傳感器直接供電，并帶來(lái)巨大效能。目前市場(chǎng)上已有幾種可行的技術(shù)，大部分已經(jīng)開(kāi)始投入部署應用。其中包括能量收集PMIC 產(chǎn)品和大量低功耗的微控制器，能夠滿(mǎn)足遙距物聯(lián)網(wǎng)設備的供電需求，從而推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)增長(cháng)。

　　有了能量收集解決方案，電子系統就能夠在沒(méi)有傳統電源的情況下獨立運作。然而，無(wú)論這種方案多么的方便和靈活，能量收集技術(shù)還是具有一定的多面性和局限性的。這是一個(gè)可行的解決方案，但絕不是一個(gè)簡(jiǎn)單的方案，必須從功率分配的角度精心挑選 PMIC 產(chǎn)品和能量?jì)Υ嬖O備。此外，能量收集效率也是能量收集設備設計的重要因素。

　　本文將介紹能量收集、能量?jì)Υ婧碗娫垂芾斫鉀Q方案的優(yōu)點(diǎn)、構建以及發(fā)展趨勢。

　　能量收集是什么?

　　能量收集指的是收集環(huán)境中容易獲得的少量非傳統能量并將之轉化為電能的過(guò)程。獲取的電量可直接使用或儲存下來(lái)留作未來(lái)使用。對于無(wú)法使用本地電網(wǎng)的遙距部署設備，能量收集解決方案在為各類(lèi)電子設備提供可替代電源方面表現出卓越的效果。

　　所收集的能量可來(lái)自于無(wú)線(xiàn)電能量(RF 源)、壓電元件的振動(dòng)動(dòng)能、壓力能或者光電電池的光能。接著(zhù)將收集到的能量轉化為電能，并儲存在耐用儲存電池中，如電容器。能量收集系統通常包括用于產(chǎn)生或獲取能量的電路，以及配有用于電源管理和保護的附加電路的存儲裝置。

　　能量收集技術(shù)應用不僅限于延長(cháng)物聯(lián)網(wǎng)設備的電池壽命，還可以用作工業(yè)、商業(yè)和醫學(xué)應用的替換電源，如可穿戴電子產(chǎn)品、可植入設備、遠程腐蝕監測和結構檢測等。

　　為什么能量收集對物聯(lián)網(wǎng)設備來(lái)說(shuō)如此重要?

　　物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展已經(jīng)成為最具潛力、盈利最豐厚的市場(chǎng)機遇，預測到 2020 年，將會(huì )有超過(guò) 300 億臺物聯(lián)網(wǎng)設備。在不久的將來(lái)，幾乎每一臺設備，從傳感器、儀器、汽車(chē)、可穿戴電子產(chǎn)品以及溫度調節器、冰箱等嵌入式系統都將會(huì )連接到互聯(lián)網(wǎng)。

　　理想狀態(tài)下，這數十億件小型便攜的設備將連接至無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )并擁有較長(cháng)的使用壽命。電池似乎是一個(gè)不錯的選擇，但要在小型裝置內安裝電池，通常都不太可行。此外，電池維護和更換的成本也不低?？紤]到我們需要充足的電源，能量采集將會(huì )是解決電池問(wèn)題的可行方法。實(shí)際上，能量收集能夠支撐電子系統依靠環(huán)境電源運作幾年。

　　能量收集的基本構建模塊

　　能量收集系統的基本構建模塊通常包括：

　　換能器和轉換電路：換能器從不同的電源中獲取非傳統能量，并轉化為電能。典型的換能器示例包括：光電電池轉化光能、熱電裝置轉化熱能、壓電元件轉化振動(dòng)動(dòng)能等等。

　　能量?jì)Υ嬖O備：例如電池和超級電容器，可用于儲存轉化生成的電能。

　　電源管理電路：電源管理電路由一個(gè)穩壓器組成，根據系統的要求進(jìn)行電源管理。

　　現今的發(fā)展趨勢與技術(shù)

　　如前所述，我們可以從各種不同的非傳統能量中收集電能，如太陽(yáng)光、射頻信號和振動(dòng)動(dòng)能等。每一種類(lèi)型的能量收集都需要電源轉換電路、能量?jì)Υ嬖O備和 PMIC 產(chǎn)品。

　　收集太陽(yáng)能：小型太陽(yáng)能電池含有光電電池，能夠將光能轉化成電能。然而，對室內應用來(lái)說(shuō)，環(huán)境光通常不是非常強烈，強度一般約為 10 μW/cm2。室內能量收集系統收集的能量受到太陽(yáng)能模塊尺寸大小、環(huán)境光強度及光譜組成的限制。通常來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能電池收集的電能可以用于電池或超級電容器的充電，從而為設備提供穩定的電源。如今，此類(lèi)太陽(yáng)能電池已廣泛應用于消費者應用和工業(yè)應用中，如玩具、手表、計算器、路燈、移動(dòng)電源和衛星。

　　收集動(dòng)能：壓電換能器受到振動(dòng)和移動(dòng)時(shí)能夠產(chǎn)生電能。因此，設備能夠將振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能轉化為 AC 電壓，AC 電壓經(jīng)過(guò)調整后，向系統提供電力。有多種不同的方法可以收集來(lái)自動(dòng)能的能量。例如，用戶(hù)按下遙控器按鈕時(shí)產(chǎn)生的能量可以收集起來(lái)用于發(fā)送一個(gè)低耗能的無(wú)線(xiàn)電信號。同樣地，當有人走過(guò)時(shí)，安裝在地磚底下的壓電換能器也能產(chǎn)生電能，可以為小型顯示屏或緊急燈供電。

　　收集熱能：熱電能收集器的工作原理基于塞貝克(Seebeck)效應，根據兩個(gè)不同導體接合處的溫度差而產(chǎn)生電壓。利用由系統內溫度變化而產(chǎn)生的電能，能夠運作供電好幾年，尤其是低功耗電路設計的系統。這種技術(shù)在回收熱量損失方面很有用。最新的技術(shù)發(fā)展將會(huì )利用人體熱量為穿戴設備的健康傳感器供電。

　　開(kāi)發(fā)工具

　　由于能量收集技術(shù)產(chǎn)生的能量很少，因此要保持系統中能量生產(chǎn)和能量消耗的平衡是非常重要的。設計工程師需要仔細評估能量需求并選擇相應的組件。根據不同的操作模式，如激活模式、睡眠模式等，物聯(lián)網(wǎng)設備的能量需求也會(huì )有所不同。設計過(guò)程中需要進(jìn)行試驗或者會(huì )發(fā)生錯誤，有時(shí)候還需要進(jìn)行詳細的實(shí)驗。因此，使用開(kāi)發(fā)套件能夠幫助開(kāi)發(fā)者進(jìn)行早期實(shí)驗并完成系統的初始原型。

　　如今，投資物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的行業(yè)已經(jīng)引用了多種物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)套件。使用行業(yè)標準工具以后，可以準確地計算、評估能量生成量和消耗量。例如，賽普拉斯/Spansion 推出了基于網(wǎng)絡(luò )的 Easy DesignSim 設計工具，讓所有用戶(hù)能夠輕松地計算并調查能量收集量。

　　圖2：能量收集入門(mén)套件，包含了針對最小能量消耗進(jìn)行了優(yōu)化的原始無(wú)線(xiàn)協(xié)議，以及帶 ARM Coretex M3 內核的 FM3 微控制器。

　　賽普拉斯的能量收集入門(mén)套件利用能量收集技術(shù)，簡(jiǎn)化并加快了無(wú)線(xiàn)傳感器模組的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。這款低功耗的無(wú)線(xiàn)協(xié)議能夠替代 ZigBee 或藍牙等低功耗無(wú)線(xiàn)協(xié)議。套件中的微控制器是賽普拉斯基于Spansion ARM Cortex M3 內核的FM3 微控制器，能夠根據不同的 ARM 開(kāi)發(fā)進(jìn)行定制。

　　圖3：利用能量收集技術(shù)驅動(dòng)低功耗藍牙信標的入門(mén)套件能夠與太陽(yáng)能電池、壓電元件或其他傳統配件配套使用

　　另一個(gè)能量收集入門(mén)套件可以幫助開(kāi)發(fā)者利用能量收集技術(shù)建立低功耗藍牙信標?？梢允褂锰?yáng)能電池或壓電元件進(jìn)行能量采集。此外，該套件可使用 USB 電源供電，并配有 BLE 低功耗藍牙轉換的無(wú)線(xiàn)模組。

　　圖4物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)入門(mén)套件可用于能量收集

　　技術(shù)挑戰

　　在設計物聯(lián)網(wǎng)設備能量收集系統的過(guò)程中，開(kāi)發(fā)者面臨的最大技術(shù)挑戰和操作挑戰就是要找到一個(gè)可行的能量?jì)Υ娼鉀Q方案。最初的產(chǎn)品設計是為了從非充電電池中獲得的電力，因其成本低，而可用性和便利性高。然而，非充電電池的能量資源是有限的，并且需要定期更換。為了解決這個(gè)問(wèn)題，制造商開(kāi)始使用可充電電池作為主要的能量?jì)Υ妗?/p>

　　如今，鎳鎘電池和鋰電池等可充電電池已應用于物聯(lián)網(wǎng)設備中。盡管這類(lèi)電池的使用非常方便，但擁有極高的放電率，每塊電池只可以充電放電大概 500 次，限制了電池在物聯(lián)網(wǎng)應用中的長(cháng)期應用。因此，尋找改進(jìn)電池技術(shù)的解決方案，是設計工程師如今面臨的關(guān)鍵挑戰。

　　除此之外，設計師還需要克服提供能量收集設備效率的主要缺點(diǎn)。用于將非傳統環(huán)境能量轉換成電能的換能器的轉換效率通常限制在10%。另外，用于儲存和轉化能量的電路會(huì )有能量損耗。加上所有損耗，產(chǎn)品只能獲得能量來(lái)源約 1% 的能量。因此，設計師需要進(jìn)行非常仔細的分析和建模，從而通過(guò)能量收集和電路的功率需求來(lái)平衡可用能量。

　　本文簡(jiǎn)要介紹了能量收集、能量?jì)Υ婧碗娫垂芾斫鉀Q方案的最新技術(shù)和發(fā)展趨勢。有了能量收集 PMIC 產(chǎn)品，嵌入式電子設備的開(kāi)發(fā)似乎變得更加簡(jiǎn)單了。在電源管理方面，有越來(lái)越多可行的供電技術(shù)，能夠為家用電器、穿戴設備及電子產(chǎn)品等各種物聯(lián)網(wǎng)設備供電。在未來(lái)幾年里，預測最具發(fā)展潛力的技術(shù)是為物聯(lián)網(wǎng)設備供電的無(wú)線(xiàn)電力傳輸、熱電技術(shù)和太陽(yáng)能收集技術(shù)。以后，我們將會(huì )看到更多為能量收集而設計的 PMIC 產(chǎn)品，以及低功耗微控制器，從而推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的前進(jìn)發(fā)展。技術(shù)進(jìn)步將貫穿于消費者、工業(yè)和醫療市場(chǎng)等垂直市場(chǎng)中，創(chuàng )造出超乎想象的新技術(shù)應用。

　　參考：

　　[1] AN213948 - Basic Concepts for Energy Delivery

　　[2] AN210772 - Energy Calculation for Energy Harvesting

　　[3] AN204360 - Energy Calculation for Energy Harvesting Systems

　　[4] AN204361 - Hybrid Application using Energy Harvesting PMIC