作者： Pete Bartolik

如今的能量收集應(yīng)用層出不窮。美國政府對(duì)清潔能源的投資以及私營企業(yè)對(duì)清潔能源制造、電動(dòng)汽車和電池以及清潔發(fā)電的 4000 億美元投資可謂是備受大眾關(guān)注 ^i^ ，而針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備（如植入體）的低功耗能量收集應(yīng)用市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展則鮮為人知 ^ii^ 。

人們對(duì)高效、可靠、緊湊的儲(chǔ)能應(yīng)用的需求凸顯了利用環(huán)境能源取代或補(bǔ)充低功耗設(shè)備充電電池的機(jī)會(huì)潛力。這種能量收集應(yīng)用有望實(shí)現(xiàn)無限期運(yùn)行，無需更換電池，從而大幅減少生態(tài)垃圾。

收集到的太陽能可以為零售、工業(yè)和住宅環(huán)境中的可穿戴設(shè)備、通信設(shè)備、遠(yuǎn)程或難以接觸到的傳感器以及各種智能設(shè)備供電。此外，設(shè)計(jì)人員還可以利用其他環(huán)境能源，如溫度變化、運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)、無線電波和聲波。

克服設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

尺寸和電源管理是設(shè)計(jì)移動(dòng)、遠(yuǎn)程和無人值守設(shè)備的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。在許多情況下，無線連接具有同等的挑戰(zhàn)性。然而，隨著在集成必要電子元件并使之小型化方面的不斷進(jìn)步，已經(jīng)能夠讓開發(fā)人員足以減少器件尺寸并優(yōu)化成本了。

確定合適的能源和功耗優(yōu)化是開發(fā)成功應(yīng)用的關(guān)鍵。外形尺寸和美觀程度因使用環(huán)境和用途的不同而大不相同。

消費(fèi)類設(shè)備必須在外觀上具有吸引力，并達(dá)到較高的可用性標(biāo)準(zhǔn)，才能在市場(chǎng)上取得成功。工業(yè)和遠(yuǎn)程設(shè)備受美觀和消費(fèi)者操作友好程度的影響較小，但可能需要實(shí)現(xiàn)更高的功能水平和互操作性。

實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)主要取決于找到合適的組件和軟件，以最大限度地降低能耗。同時(shí)還要能夠最大限度地從能源中提取更多的電能。在理想情況下，應(yīng)用收集到的能量應(yīng)比消耗的多，從而實(shí)現(xiàn)完全的能源自主。

高性能能量收集 PMIC

[Nexperia] 提供了一種電源管理集成電路 (PMIC)，能夠持續(xù)利用環(huán)境能量。[NEH2000BY] （圖 1）在不影響能效的前提下實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的高性能，從而解決了典型的能量收集平衡問題。

圖 1：Nexperia 的 NEH2000BY PMIC 旨在用于低功耗設(shè)備的環(huán)境能量收集。（圖片來源：Nexperia）

Nexperia PMIC 采用最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT) 自適應(yīng)算法來優(yōu)化來自環(huán)境源的能量傳輸，并確保高轉(zhuǎn)換率。NEH2000BY MPPT 算法無需預(yù)先編程即可自動(dòng)運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 80% 的最佳平均轉(zhuǎn)換效率，并能在 0.5 秒內(nèi)完成自適應(yīng)。

對(duì)于研究或探索太陽能板和風(fēng)力渦輪機(jī)優(yōu)化的開發(fā)人員來說，MPPT 可謂是耳熟能詳，但它也可用于收集其他環(huán)境能量來源（如熱能、振動(dòng)和無線電信號(hào)）的應(yīng)用。MPPT 可持續(xù)監(jiān)測(cè)電壓和電流以確定最佳功率，并調(diào)整負(fù)載，使輸出與應(yīng)用要求相匹配。

NEH2000BY 采用“爬坡”算法，能夠適應(yīng)不斷變化的環(huán)境，確保實(shí)現(xiàn)最高的效率，而不受能量波動(dòng)的影響。雖然這款 PMIC 已針對(duì)光伏應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，但仍可與各種利用 2.5 V 至 4.5 V 存儲(chǔ)元件電壓的采集器設(shè)備配合使用，并與各種類型的可充電電池以及無電池設(shè)計(jì)兼容。

Nexperia PMIC 能夠讓設(shè)計(jì)人員利用集成式、高效率、低功耗 DC-DC 器件設(shè)計(jì)各種應(yīng)用，無需添加轉(zhuǎn)換器和笨重的外部電感器。它只需要一個(gè)外部電容器，簡(jiǎn)化了印刷電路板 (PCB) 布局，減少了應(yīng)用的物料使用。

據(jù) Nexperia 稱，該 PMIC 采用較薄的 3 mm x 3 mm 塑料熱增強(qiáng)方形扁平封裝 (HWQFN)，整體裝配面積僅為 12 mm。這使得采集設(shè)計(jì)的尺寸比現(xiàn)有解決方案小了 20 倍。

參考設(shè)計(jì)平臺(tái)

Nexperia 與 [Ambiq] 合作開發(fā)一個(gè)參考設(shè)計(jì)平臺(tái)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員可以利用該平臺(tái)進(jìn)行能量收集應(yīng)用原型設(shè)計(jì)和測(cè)試。

Ambiq [harvestKIT AMA3BHARV1] （圖 2）結(jié)合了基于 Nexperia NEH2000BY PMIC 的 Click 模塊、Ambiq 的 Apollo3 Blue SoC 以及來自 [TDK InvenSense] 和 [Bosch Sensortec] 的低功耗 1.8 V 定制 Click 傳感器模塊。

圖 2：Ambiq 的 harvestKit AMA3BHARV1 采用了帶有 Nexperia 能量收集 PMIC 的 Click 模塊，以及運(yùn)動(dòng)和環(huán)境傳感器模塊。（圖片來源：Ambiq）

harvestKIT 帶有 Nexperia 的能量收集技術(shù)，以及一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 運(yùn)動(dòng)傳感器和一個(gè)環(huán)境傳感器。Apollo3 Blue SoC 集成了低功耗藍(lán)牙 (BLE) 5。附加擴(kuò)展插槽可支持其他傳感器和連接模塊，如 Wi-Fi 或顯示器。

這些組件可以驅(qū)動(dòng)將低功耗能量收集與溫度、濕度、運(yùn)動(dòng)和壓力監(jiān)測(cè)等輸入結(jié)合在一起的應(yīng)用。

開發(fā)人員可利用該參考設(shè)計(jì)開發(fā)一系列原型產(chǎn)品，通過收集能量延長電池壽命，或通過集成超級(jí)電容器或其他儲(chǔ)能元件而去除電池的使用。

Apollo3 Blue SoC 采用 Ambiq 獲得專利的亞閾值功率優(yōu)化技術(shù) (SPOTò)，可管理收集到的能量并高效處理低功耗應(yīng)用。參考平臺(tái)固件會(huì)將原始傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò) APP，而人們可以在手機(jī)、平板電腦或個(gè)人電腦的 Chromium 網(wǎng)絡(luò)瀏覽器上運(yùn)行這個(gè) APP。

結(jié)語

Nexperia 的 PMIC 為下一代高能效應(yīng)用提供了一個(gè)極具吸引力的設(shè)計(jì)選擇。通過收集太陽能和集成先進(jìn)的傳感器模塊，開發(fā)人員可以設(shè)計(jì)出各種創(chuàng)新的解決方案，從而大大延長電池的使用壽命，甚至完全不需要電池。Nexperia 與 Ambiq 合作推出的 harvestKIT AMA3BHARV1 參考設(shè)計(jì)，為尖端的低功耗管理和處理應(yīng)用提供了一個(gè)原型開發(fā)和測(cè)試平臺(tái)，滿足了人們對(duì)可持續(xù)、高效率電子設(shè)備日益增長的需求。

審核編輯 黃宇