電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）提高續(xù)航，是現(xiàn)在各種電子設(shè)備都在聚焦發(fā)展的方向。手機(jī)如何提高續(xù)航能力、可穿戴設(shè)備如何提高續(xù)航能力、電動(dòng)汽車如何提高續(xù)航能力等等話題都圍繞著減少電子設(shè)備功耗提高續(xù)航時(shí)間展開。

相較之下，對(duì)于功耗、續(xù)航時(shí)間要求最嚴(yán)苛的無疑是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。解決物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的續(xù)航問題，甚至實(shí)現(xiàn)無需電池的永久續(xù)航成為當(dāng)下的熱門技術(shù)方向。

能量采集與無電池續(xù)航，減少物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對(duì)電池的依賴

物聯(lián)網(wǎng)終端市場(chǎng)的快速發(fā)展是有目共睹的，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)分析機(jī)構(gòu)IoT Analytics發(fā)布的數(shù)據(jù)，2021年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備規(guī)模達(dá)到了122億臺(tái)，2022年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備規(guī)模則在145億臺(tái)左右，預(yù)計(jì)到2025年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備規(guī)模將達(dá)到270億臺(tái)。

數(shù)以百億計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，絕大多數(shù)都需要使用電池供電，如果能解決續(xù)航問題甚至實(shí)現(xiàn)無需電池的永久續(xù)航，其前景無疑是巨大的。

在這條技術(shù)方向上，想要實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)續(xù)航和永久續(xù)航，離不開三個(gè)核心的創(chuàng)新技術(shù)——超低功耗射頻技術(shù)、射頻喚醒技術(shù)以及受控能量采集技術(shù)。超低功耗射頻技術(shù)、射頻喚醒技術(shù)用于降低設(shè)備功耗并控制低功耗模式。受控能量采集技術(shù)用于收集環(huán)境中的能量，是實(shí)現(xiàn)永久續(xù)航和無電池續(xù)航的關(guān)鍵。

超低功耗射頻技術(shù)和射頻喚醒技術(shù)很好理解，一個(gè)實(shí)現(xiàn)功耗的降低，一個(gè)用于精準(zhǔn)控制設(shè)備休眠狀態(tài)和喚醒狀態(tài)，本質(zhì)上都是從功耗著手盡可能做低。而受控能量采集技術(shù)，是相對(duì)更為創(chuàng)新的一項(xiàng)技術(shù)。

對(duì)于電子產(chǎn)品來說電源無疑就是所有“動(dòng)力”的來源，很難想象沒有電源的支持如何使設(shè)備內(nèi)的芯片、器件正常工作，但這項(xiàng)技術(shù)想要實(shí)現(xiàn)的就是去外部電源化。簡(jiǎn)單來說，去外部電源化就是在沒有外部電源的情況下，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備依然能借助某種方式采集能量繼續(xù)實(shí)現(xiàn)功能，該技術(shù)的應(yīng)用能減少物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對(duì)電池的依賴。

無電池續(xù)航中的三大核心技術(shù)

超低功耗射頻是大家很熟悉的一項(xiàng)技術(shù)，在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備里已經(jīng)應(yīng)用得相當(dāng)廣泛。一些平常生活中隨處可見射頻技術(shù)都在不斷擴(kuò)大其連接范圍并提高續(xù)航時(shí)間，藍(lán)牙肯定是其中別具代表性的一項(xiàng)技術(shù)。

專注于物聯(lián)網(wǎng)超低功耗無線技術(shù)和能量采集的Atmosic就是選擇了藍(lán)牙技術(shù)作為突破口，基于藍(lán)牙5.0技術(shù)繼續(xù)提高其具體連接的范圍以及續(xù)航的能力，將藍(lán)牙的連接范圍提升到Wi-Fi相對(duì)應(yīng)的水平，功耗上則進(jìn)一步做了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了5到10倍的功耗降低。另一家超低功耗射頻技術(shù)廠商HaiLa則把突破口放在超低功耗Wi-Fi芯片上，運(yùn)用了名叫反向散射通信的技術(shù)手段，目前也在推進(jìn)商業(yè)化進(jìn)程。

射頻喚醒技術(shù)用于精確控制設(shè)備的休眠與喚醒，更精準(zhǔn)的控制能夠減少接收端射頻處于接收狀態(tài)的時(shí)間，盡可能讓設(shè)備處于休眠模式以更低的設(shè)備整體功耗運(yùn)行，前提是保證設(shè)備能正常接收。很多SoC中都有類似的功能，該功能也不斷在被優(yōu)化。

能量采集技術(shù)，不僅僅是為永久續(xù)航、無電池續(xù)航鋪平道路，如果能在設(shè)備內(nèi)部元件間去掉節(jié)點(diǎn)電流，整個(gè)電路結(jié)構(gòu)會(huì)更緊湊、系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)也會(huì)大大簡(jiǎn)化。以前在傳感器應(yīng)用中有一些類似的技術(shù)，在節(jié)點(diǎn)能量收集圍繞振動(dòng)、應(yīng)變、溫度和光來做文章。

但一般這種傳統(tǒng)的環(huán)境能量采集通常面臨電量微弱的特點(diǎn)，隨著模擬半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步越來越多的能量采集解決方案實(shí)現(xiàn)了更高效率的能量收集。

無電池續(xù)航與能量采集

超低功耗射頻技術(shù)和射頻喚醒技術(shù)的目標(biāo)是為了盡可能降低功耗提高物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備續(xù)航時(shí)間，真正未來實(shí)現(xiàn)無電池續(xù)航的技術(shù)突破口還是在能量采集技術(shù)上。讓物聯(lián)網(wǎng)終端的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)無需外接“能量源”，采用獲取環(huán)境能量進(jìn)行供能才能徹底解決供電問題。

在無外部電源供電的情況下，擺在能量采集技術(shù)面前的有幾大難題，其一能量的采集和環(huán)境狀態(tài)是密切相關(guān)的，外部環(huán)境的變化會(huì)影響到環(huán)境能量的穩(wěn)定性影響到能量的采集；其二采集到的能量能否有效儲(chǔ)存起來滿足設(shè)備運(yùn)行的需求。因此高效地能量采集和管理技術(shù)是實(shí)現(xiàn)無電池續(xù)航的重點(diǎn)。

能量采集技術(shù)領(lǐng)域知名的Atmosic走的是射頻能量采集路線，目前Atmosic的能量采集單元通過CMOS工藝集成到芯片上。為了在很低的環(huán)境能量狀態(tài)下進(jìn)行工作，該能量采集單元有極快的冷啟動(dòng)速度。

內(nèi)部冷啟動(dòng)后，調(diào)節(jié)器開始在電壓跨度可能極大的范圍下工作。這種能量采集單元要能在μW到mW范圍內(nèi)對(duì)采集到的能量進(jìn)行高效的轉(zhuǎn)換，同時(shí)自身的工作損耗不能超過亞μW級(jí)，才能支持其電能自足的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)。

為了避免采集射頻能量時(shí)發(fā)生干擾，Atmosic在設(shè)計(jì)能源收集的時(shí)候特地選擇了900MHz的不同頻段，同時(shí)也可以采用新的頻段的方式規(guī)避可能會(huì)產(chǎn)生的信號(hào)干擾。

國(guó)內(nèi)廠商今年在能量采集芯片上也有進(jìn)展，此前飛英思特科技正式公布旗下首款環(huán)境微能量采集與管理芯片，該款芯片是目前國(guó)內(nèi)少有的能量采集與管理芯片，填補(bǔ)了市場(chǎng)空白。該芯片同樣能以射頻能、溫差能、微光能、振動(dòng)能等環(huán)境中常見能量為采集目標(biāo)，高集成度讓該芯片能利用冷啟動(dòng)、儲(chǔ)能管理等模塊高效利用采集到的能源為電路提供穩(wěn)定的輸出。

安世半導(dǎo)體去年收購(gòu)了一家能量采集電源管理芯片Nowi，未來可能會(huì)有相關(guān)能量采集芯片問世。英集芯此前也表示將針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域會(huì)深耕低功耗和無線通信技術(shù)，推出能量采集芯片。

還有一條類似的技術(shù)路線，同樣是能量采集，但是是NFC能量采集。NFC能量采集更準(zhǔn)確的形容應(yīng)該是NFC無線取電技術(shù)。它和上面這些是區(qū)別的，不能采集環(huán)境微能量，只能通過NFC射頻獲取能量，不過它同樣可以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備去外部電源化，但限制在于該物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備必須具有NFC接口且只能在NFC功能啟用時(shí)獲取射頻能量。國(guó)內(nèi)廠商啟緯科技的TurboNFC技術(shù)在這條路線上很領(lǐng)先。

寫在最后

在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量大爆發(fā)的背后，是全球每年消耗的數(shù)十億計(jì)的電池。而電池的供電方式，普遍存在續(xù)航短的問題，需要定期更換電池/充電才能維持設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。超低功耗技術(shù)一直都在升級(jí)，不斷降低物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功耗，延長(zhǎng)其續(xù)航時(shí)間，這一領(lǐng)域還會(huì)不斷取得突破。

更令人期待的是未來能量采集技術(shù)的突破，該技術(shù)指引了新的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的發(fā)展方向。假以時(shí)日，高效能量采集和電源管理技術(shù)加持下的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)無電池的永久續(xù)航可能不再是空想。