能量收集技術(shù)會(huì )促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的快速增長(cháng)嗎？

隨著(zhù)智能的理念迅速應用到我們周?chē)脑S多“事物”，從燈泡、家用電器和汽車(chē)，到醫療傳感器、工業(yè)設備，甚至整個(gè)城市，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）顯然都正在其中快速應用。根據Gartner的分析數據，到2020年，物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)的數量預計將達到204億個(gè)，相當于目前地球上人口數量的許多倍。

然而，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展并非一帆風(fēng)順。其中一個(gè)挑戰是讓這些數十億的物聯(lián)網(wǎng)設備每周7天，每天24小時(shí)全天候工作，而不管它們處的具體位置和何種應用。定期更換電池肯定要增大成本和人力資源投入。此外，這些設備需要增加的能源對環(huán)境的影響也需要認真考慮。

目前出現的一個(gè)新興解決方案可以應對這些挑戰，這種新技術(shù)即是能量收集。利用這項技術(shù)，可以從周?chē)h(huán)境中捕獲能量并轉化為電能，能量的來(lái)源可能包括多種可能途徑（如環(huán)境光、振動(dòng)、熱量或射頻等），這些能量如果不加以利用也將白白浪費掉。

在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，能量收集的目標不是產(chǎn)生大量的電能，而是在任何能找到少許能量的地方加以利用。以環(huán)境光為例，根據光源是在室外的還是在室內，收集的功率通常在10μW/cm2到10mW/cm2之間。運動(dòng)產(chǎn)生的能量約為4μw/cm2至100μw/cm2，同樣取決于能量來(lái)源（即運動(dòng)是源于人還是機器）。類(lèi)似，可從人體中提取的熱能約為30μw/cm2，而從RF中提取的能量約為0.1μW/cm2。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，能源收集技術(shù)將能夠使企業(yè)真正利用物聯(lián)網(wǎng)中的能量，同時(shí)可節省原本要花費在電池上的投入和時(shí)間。根據市場(chǎng)研究公司IDTechEx的數據，到2022年，全球每年的能量收集收入將超過(guò)50億美元?？紤]到這項技術(shù)的未來(lái)增長(cháng)趨勢，它對于行業(yè)有哪些影響呢？

能量收集系統的構建模塊

從本質(zhì)上講，能量收集分三個(gè)步驟：收集、調節和儲存。傳感器從能量源（如環(huán)境光、熱、振動(dòng)、壓力、射頻等）捕獲能量并輸出電能。接下來(lái)，電源管理IC調節輸入電壓以適應負載要求，然后將能量輸送給存儲設備（通常是超級電容器），該存儲設備在低功率、間歇性主能源、高功率和連續負載之間起緩沖作用。

根據主能源的不同，能量采集系統使用不同類(lèi)型的傳感器。例如，光伏能源收集系統可以從室外和室內捕獲光能，以補充甚至最終消除消費類(lèi)和工業(yè)應用中的電池。同樣，壓電傳感器在有壓力或運動(dòng)產(chǎn)生機械應力時(shí)能夠產(chǎn)生電壓，在汽車(chē)、飛機、自動(dòng)化設備甚至人體振動(dòng)中，這些傳感器能夠為許多物聯(lián)網(wǎng)設備提供能量。來(lái)自Mide的PPA-1021是一個(gè)0.74mm厚的壓電傳感器，通過(guò)捕獲振動(dòng)能量在28.2V下產(chǎn)生4.5MW的直流輸出。

通過(guò)利用廢熱，熱電傳感器在兩種不同金屬連接處存在溫差時(shí)能夠產(chǎn)生功率，這種現象被稱(chēng)為塞貝克（Seebeck）效應。Micropelt TE-CORE熱收集模塊用于收集本地可用的廢熱，并將其轉化為電能。它在<10°C的溫差下工作，能夠提供1.8V～4.5V的可配置輸出。

管理收集的功率

為了調節所收集的能量并保持連接負載的穩定電源，能量收集設備需要包括某種形式的電源管理集成電路（PMIC）。賽普拉斯（Cypress）的能量收集電源管理IC S6AE101A 專(zhuān)為超低功部署而設計，只需分別為250nA和1.2μW的工作電流和啟動(dòng)功率。通過(guò)使用該芯片，在大約100lx的低照度條件下，緊湊型太陽(yáng)能電池可以提供足夠的功率供物聯(lián)網(wǎng)設備運行。如圖1所示，它采用內置的開(kāi)關(guān)控制可將產(chǎn)生的電能存儲在輸出電容器中。如果太陽(yáng)能電池的電力不足以滿(mǎn)足所連接的負載需求，電池儲備的電力可以補充電力。作為一種免電池的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)解決方案，它具有過(guò)壓保護（OVP）機制，其應用包括用于供熱通風(fēng)與空氣調節、照明和安全系統的無(wú)線(xiàn)傳感器，以及藍牙智能傳感器等等。

圖1：基于Cypress S6AE101A PMIC的太陽(yáng)能功率收集電源管理系統。（來(lái)源：Cypress）

Linear Technology的LTC3588-2是另一款能量收集PMIC，設計用于直接與壓電、太陽(yáng)能或磁性傳感器連接。它可以校正電壓波形，并將收集到的能量存儲在外部電容器上。LTC3588-2通過(guò)內部分流穩壓器排出多余的功率，同時(shí)通過(guò)一個(gè)高效的納米功率同步降壓穩壓器調節輸出電壓。它具有四個(gè)可選輸出電壓，分別為3.45V、4.1V、4.5V和5.0V，可提供高達100mA的連續輸出電流。為了提供過(guò)壓保護，該芯片包括一個(gè)設置為20V的輸入保護分流器，其潛在應用包括胎壓傳感器以及移動(dòng)資產(chǎn)跟蹤等等。

為了充電和保護微功率存儲設備，美信（Maxim Integrated）所提供的MAX17710 PMIC帶有升壓穩壓電路。該芯片采用12引腳UTDFN封裝，專(zhuān)門(mén)針對在能量采集場(chǎng)景中常見(jiàn)的穩壓不良電源而進(jìn)行了優(yōu)化，適用的電壓水平可低至0.75V。MAX17710 PMIC的功率輸出值在1μW到100mW之間，還包括一個(gè)用于過(guò)充電保護的內部穩壓器，提供給目標應用的輸出電壓通過(guò)低壓降（LDO）線(xiàn)性穩壓器進(jìn)行調節，具有3.3V、2.3V或1.8V可選輸出電壓。輸出穩壓器能夠在可選的低功率或超低功率模式下工作，以最大限度降低儲能設備的功耗。

圖2：通過(guò)Maxim MAX17710實(shí)現的用于充電微功率存儲設備的能量收集系統。（來(lái)源：Maxim Integrated）

提供連續的穩定功率

超級電容器具有很高的儲能能力，可為依賴(lài)于能量收集設備中的連續負載提供穩定的功率。Murata公司的DMH系列超級電容器具有高電容容量，可為此類(lèi)設備提供能量緩沖和峰值功率輔助。這些超級電容器具有35mF的電容、4.5V的額定電壓和300mΩ的靜態(tài)電阻（ESR），封裝大小為20mm x 20mm x 0.4mm，適用于空間和電池壽命受限的應用。這些超級電容器只具有薄紙的厚度，可以安裝在鈕扣電池下面，智能卡內部，或者設備屏幕后面，其關(guān)鍵應用包括可穿戴技術(shù)、零售系統、電子閱讀器和低厚度I/O智能設備等。

開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品

eZ430-RF2500-SHE是德州儀器的太陽(yáng)能收集開(kāi)發(fā)工具，能夠幫助設計工程師創(chuàng )建和測試一個(gè)永久供電的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。該工具采用超低功耗MCU，包括一個(gè)高效太陽(yáng)能電池板，可提供足夠的功率來(lái)為無(wú)線(xiàn)傳感器應用供電，即使在室內照明條件下也不需要任何額外的電池。

Wurth Electronics提供的To Go Kit也是一個(gè)完整的開(kāi)發(fā)工具，它通過(guò)一個(gè)封裝可提供能量收集、能量管理和存儲等功能。該套件包括一個(gè)太陽(yáng)能電池板（32mm x 50mm）和一個(gè)熱能發(fā)電機（thermos-generator）（40mm x 40mm）作為兩個(gè)能量收集源，并配有一個(gè)采用48MHz ARM Cortex?M3內核的EFM32 Giant Gecko MCU。

隨著(zhù)能源收集技術(shù)在幾乎所有領(lǐng)域都在展現出綠色能源的光明前景，研究人員正在努力探索新的可能應用。在這種背景下，密歇根大學(xué)的科學(xué)家們幾乎達到了這項技術(shù)的核心，開(kāi)發(fā)出了一種從人體心跳獲取能量的裝置，從而為起搏器或植入式除顫器提供能量，這一進(jìn)展可以消除與關(guān)鍵醫療設備需要定期更換電池相關(guān)的風(fēng)險和麻煩。同樣，研究人員也在努力從人體熱量、運動(dòng)和振動(dòng)中獲取能量，以滿(mǎn)足植入式物聯(lián)網(wǎng)設備的功率需求。能源在我們周?chē)泻芏?，但目前大多還不能有效作為電能利用。能源收集技術(shù)彌合了這一鴻溝，因此，它將在我們未來(lái)的所有努力中發(fā)揮重要作用。