作者：賽普拉斯半導體公司 Arijit Karmakar 和 Ronak Desai

近年來，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展吸引了大量投資，尤其是在機對機 （M2M） 接口技術和大數(shù)據(jù)處理領域。物聯(lián)網(wǎng)指的不僅是通過互聯(lián)網(wǎng)連接個人電腦和智能手機，還包括數(shù)十億“物體”與設備之間的連接。然而，如何為這數(shù)十億設備供電是設計工程師目前著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(tǒng)電池電源能夠解決供電問題，但必須經(jīng)過采購、維護和后期處理程序。而且，當設備安裝在偏遠位置時，更加大了維護電源的難度。

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

有了能量收集解決方案，電子系統(tǒng)就能夠在沒有傳統(tǒng)電源的情況下獨立運作。然而，無論這種方案多么的方便和靈活，能量收集技術還是具有一定的多面性和局限性的。這是一個可行的解決方案，但絕不是一個簡單的方案，必須從功率分配的角度精心挑選 PMIC 產(chǎn)品和能量儲存設備。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、能量儲存和電源管理解決方案的優(yōu)點、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(tǒng)能量并將之轉化為電能的過程。獲取的電量可直接使用或儲存下來留作未來使用。對于無法使用本地電網(wǎng)的遙距部署設備，能量收集解決方案在為各類電子設備提供可替代電源方面表現(xiàn)出卓越的效果。

所收集的能量可來自于無線電能量（RF 源）、壓電元件的振動動能、壓力能或者光電電池的光能。接著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(tǒng)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。

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

為什么能量收集對物聯(lián)網(wǎng)設備來說如此重要？

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

理想狀態(tài)下，這數(shù)十億件小型便攜的設備將連接至無線網(wǎng)絡并擁有較長的使用壽命。電池似乎是一個不錯的選擇，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。考慮到我們需要充足的電源，能量采集將會是解決電池問題的可行方法。實際上，能量收集能夠支撐電子系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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、壓電元件轉化振動動能等等。

能量儲存設備：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穩(wěn)壓器組成，根據(jù)系統(tǒng)的要求進行電源管理。

圖1：能量收集系統(tǒng)的基本構建模塊

現(xiàn)今的發(fā)展趨勢與技術

如前所述，我們可以從各種不同的非傳統(tǒng)能量中收集電能，如太陽光、射頻信號和振動動能等。每一種類型的能量收集都需要電源轉換電路、能量儲存設備和 PMIC 產(chǎn)品。

收集太陽能：小型太陽能電池含有光電電池，能夠將光能轉化成電能。然而，對室內應用來說，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(tǒng)收集的能量受到太陽能模塊尺寸大小、環(huán)境光強度及光譜組成的限制。通常來說，太陽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(wěn)定的電源。如今，此類太陽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、移動電源和衛(wèi)星。

收集動能：壓電換能器受到振動和移動時能夠產(chǎn)生電能。因此，設備能夠將振動產(chǎn)生的動能轉化為 AC 電壓，AC 電壓經(jīng)過調整后，向系統(tǒng)提供電力。有多種不同的方法可以收集來自動能的能量。例如，用戶按下遙控器按鈕時產(chǎn)生的能量可以收集起來用于發(fā)送一個低耗能的無線電信號。同樣地，當有人走過時，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。

表1：比較不同能量收集技術的性能參數(shù)

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(jù)兩個不同導體接合處的溫度差而產(chǎn)生電壓。利用由系統(tǒng)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(tǒng)。這種技術在回收熱量損失方面很有用。最新的技術發(fā)展將會利用人體熱量為穿戴設備的健康傳感器供電。

開發(fā)工具

由于能量收集技術產(chǎn)生的能量很少，因此要保持系統(tǒng)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(jù)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有所不同。設計過程中需要進行試驗或者會發(fā)生錯誤，有時候還需要進行詳細的實驗。因此，使用開發(fā)套件能夠幫助開發(fā)者進行早期實驗并完成系統(tǒng)的初始原型。

如今，投資物聯(lián)網(wǎng)技術的行業(yè)已經(jīng)引用了多種物聯(lián)網(wǎng)開發(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)絡的 Easy DesignSim 設計工具，讓所有用戶能夠輕松地計算并調查能量收集量。

圖2：能量收集入門套件，包含了針對最小能量消耗進行了優(yōu)化的原始無線協(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套件利用能量收集技術，簡化并加快了無線傳感器模組的開發(fā)進程。這款低功耗的無線協(xié)議能夠替代 ZigBee 或藍牙等低功耗無線協(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(jù)不同的 ARM 開發(fā)進行定制。

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

另一個能量收集入門套件可以幫助開發(fā)者利用能量收集技術建立低功耗藍牙信標。可以使用太陽能電池或壓電元件進行能量采集。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線模組。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)入門套件可用于能量收集

技術挑戰(zhàn)

在設計物聯(lián)網(wǎng)設備能量收集系統(tǒng)的過程中，開發(fā)者面臨的最大技術挑戰(zhàn)和操作挑戰(zhàn)就是要找到一個可行的能量儲存解決方案。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。為了解決這個問題，制造商開始使用可充電電池作為主要的能量儲存。

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)應用中的長期應用。因此，尋找改進電池技術的解決方案，是設計工程師如今面臨的關鍵挑戰(zhàn)。

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。用于將非傳統(tǒng)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有能量損耗。加上所有損耗，產(chǎn)品只能獲得能量來源約 1％ 的能量。因此，設計師需要進行非常仔細的分析和建模，從而通過能量收集和電路的功率需求來平衡可用能量。

本文簡要介紹了能量收集、能量儲存和電源管理解決方案的最新技術和發(fā)展趨勢。有了能量收集 PMIC 產(chǎn)品，嵌入式電子設備的開發(fā)似乎變得更加簡單了。在電源管理方面，有越來越多可行的供電技術，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。在未來幾年里，預測最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g是為物聯(lián)網(wǎng)設備供電的無線電力傳輸、熱電技術和太陽能收集技術。以后，我們將會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，從而推動物聯(lián)網(wǎng)的前進發(fā)展。技術進步將貫穿于消費者、工業(yè)和醫(yī)療市場等垂直市場中，創(chuàng)造出超乎想象的新技術應用。

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