能量采集(Energy Harvesting)是從各種環(huán)境能源(如太陽能、射頻波、物理振動)中捕獲、轉(zhuǎn)換并儲存能量的過程。這項技術(shù)在環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)(Ambient IoT)的基礎(chǔ)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)是一代超低功耗的連接設(shè)備，它們通過從周圍環(huán)境獲取能量運行，而不是依賴傳統(tǒng)電池。

本文將逐步講解如何評估能量流的每個階段，幫助您了解核心問題：能量預(yù)算能否支持您的應(yīng)用場景?我們還將探討光能采集系統(tǒng)的架構(gòu)、能量流、設(shè)計權(quán)衡和驗證技術(shù)，并重點介紹實用工具，如Silicon Labs(芯科科技)的支持藍牙和Zigbee Green Power無線連接的專門開發(fā)板-EFR32xG22E能量采集開發(fā)套件，以及Qoitech的Otii Ace Pro功率測量和分析工具。

芯科科技能量采集平臺概述

芯科科技EFR32xG22E無線SoC的能量采集平臺經(jīng)過優(yōu)化，具備超低功耗特性。測量結(jié)果顯示，從上電復(fù)位冷啟動僅需150微焦耳(μJ)，而從深度睡眠模式(EM4)喚醒僅消耗17微焦耳(μJ)，實現(xiàn)快速任務(wù)執(zhí)行且能量開銷極低。該平臺采用精確的能量預(yù)算技術(shù)，以微焦耳為單位平衡輸入與消耗，并根據(jù)可用能量動態(tài)調(diào)整固件行為——包括調(diào)節(jié)傳輸頻率、負載大小和內(nèi)存操作。此架構(gòu)支持在能量受限環(huán)境中的持續(xù)運行，非常適合可擴展的環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)部署。

能量采集的開發(fā)

一個典型的光能采集系統(tǒng)應(yīng)包括四個主要組件：

光伏電池：將光轉(zhuǎn)換為電能。轉(zhuǎn)換效率取決于光強、角度和電池材料。

電源管理芯片：調(diào)節(jié)電壓、提升功率，并執(zhí)行最大功率點跟蹤(MPPT)以優(yōu)化能量捕獲。

能量存儲：使用超級電容、可充電電池或混合方案儲存采集的能量。選擇取決于應(yīng)用的能量特征和工作周期。

負載：消耗能量的嵌入式系統(tǒng)，如傳感節(jié)點或無線發(fā)射器。

設(shè)備概述：能量采集硬件

xG22-EK8200A

xG22E 能量采集探索套件旨在實現(xiàn)功能并加速基于能量采集供電設(shè)備的開發(fā)，這些設(shè)備使用 Bluetooth Low Energy (LE) 和 Zigbee Green Power 等射頻協(xié)議。該套件基于EFR32xG22E開發(fā)板，具備超快速低能耗冷啟動和低能耗深度睡眠喚醒，非常適合多種能量受限的應(yīng)用。套件包含三個與行業(yè)領(lǐng)先PMIC 供應(yīng)商e-peas聯(lián)合開發(fā)的擴展板，可穩(wěn)固安裝在開發(fā)套件的主板上，支持包括光伏電池在內(nèi)的能量源評估。

BRD8201A - 雙源采集擴展板

該擴展板采用e-peas最新且最先進的PMIC —— AEM13920，允許開發(fā)人員同時測試雙能量源、調(diào)試獨立運行場景，并評估電池壽命。

BRD8202A - 動能按鈕擴展板(配備BRD8206A 動能按鈕)

該擴展板用于演示特定應(yīng)用，即通過動能開關(guān)為無線SoC供電。專用于動能/脈沖能量采集應(yīng)用，采用e-peas AEM00300。

BRD8203A - 電池擴展板

該擴展板用于測試替代電池化學(xué)體系和超級電容器。

EFR32xG22E能量采集探索套件的內(nèi)容

光伏電池(PV Cell)：Voltaic Systems P121 R1H，一款專為戶外使用設(shè)計的光伏電池。

能量存儲器(Energy Storage)：Tecate 10F 3.8V 鋰超級電容器。

xG22-EK8200A與兩臺Otii Ace Pro的測量設(shè)置示意圖。該設(shè)置可根據(jù)需要評估的組件數(shù)量進行擴展。

使用xG22-EK8200A與Qoitech Otii Ace Pro進行光能采集評估

能量采集實測

來自光伏電池的能量與PMIC行為

讓我們觀察由e-peas AEM13920能量采集器收集的光伏電池輸出能量。當(dāng)查看Otii Ace Pro(在此設(shè)置中稱為 Ace_EnergyHarvester)測得的電流和電壓數(shù)據(jù)時，你會看到頻繁的尖峰(見下方 Otii 圖表)。放大這些尖峰可以揭示 PMIC 的工作方式。

每個循環(huán)開始時，PMIC 會暫時斷開能量采集器(EH)的負載。這段短暫的暫停使其能夠測量 EH 的開路電壓(Voc)。測得的 Voc 隨后用于計算最大功率點(MPP)——即 EH 在該電壓下工作效率最高。

對于許多能量采集器而言，Voc 與 MPP 電壓之間的比例在不同光照條件下保持不變。在 e-peas PMIC 的情況下，該比例可配置在 35% 至 85% 之間，默認設(shè)置為 75%。在數(shù)據(jù)中標注的時間段內(nèi)，Voc被測量，隨后 PMIC 調(diào)節(jié)電壓以保持在 Voc 的 75%。

PMIC與光伏能量采集器的電流和電壓循環(huán)行為

能量存儲

通過分析Otii Ace Pro(在此設(shè)置中稱為 Ace_Battery)測得的電流和電壓數(shù)據(jù)，該設(shè)備用于監(jiān)測能量在能量存儲器(電池)中的流入和流出，我們可以觀察電池電壓以及電流流動的方向。在此設(shè)置中，正電流表示電池放電，負電流表示充電。

在下圖中，在高亮部分的起始階段，芯片喚醒并傳輸數(shù)據(jù)。在此過程中，平均電流為正，表明芯片從電池中獲取的功率超過了能量采集器在該時刻提供的功率。然而，當(dāng)觀察整個傳輸與休眠周期時，整體電流和能量值為負，如整個高亮部分所示。這意味著能量采集器在空閑時間提供的能量多于芯片消耗的能量，使電池能夠重新充電。在這種情況下，系統(tǒng)實現(xiàn)了自我維持。

芯片組喚醒并傳輸數(shù)據(jù)時的電流和電壓行為

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備功耗特性

設(shè)計和優(yōu)化高效的能量采集系統(tǒng)涉及許多變量。其中最關(guān)鍵的起點之一是確保目標設(shè)備本身具備能效。在整個開發(fā)過程中進行持續(xù)測量和不斷優(yōu)化是成功的關(guān)鍵，同時選擇低功耗組件以實現(xiàn)整體高效設(shè)計。

BRD8201A是其中一個組件——一款雙源采集擴展板，搭載EFR32xG22E無線SoC。作為能量采集套件的一部分，我們?yōu)?a target="_blank">開發(fā)者提供機會，在真實的能量采集條件下探索和評估其性能。

在此設(shè)置中，我們使用Otii Ace Pro(在該配置中命名為 Ace_IoT)分析其行為。結(jié)果顯示在下圖中，展示了由能量采集供電的 Silicon Labs 芯片的電流消耗。

在每 27 秒發(fā)生一次的活動周期中，平均電流消耗約為160μA。在休眠模式下，芯片平均僅消耗不到300 nA，這凸顯了其在超低功耗應(yīng)用中的適用性。

BRD8201A—雙源采集擴展板在休眠模式下的電流消耗

總結(jié)：無電池物聯(lián)網(wǎng)已到來

本次評估強調(diào)了基于光能采集技術(shù)在實現(xiàn)無電池物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的變革潛力，尤其是通過集成的EFR32xG22E平臺和Qoitech的Otii Ace Pro測量工具。借助光伏電池和先進的 PMIC(如 e-peas AEM13920)，開發(fā)者可以設(shè)計出能夠動態(tài)適應(yīng)環(huán)境條件的系統(tǒng)，通過最大功率點跟蹤(MPPT)優(yōu)化能量捕獲，并在光照波動場景中保持能量平衡。測試設(shè)置采用雙 Otii Ace Pro，分別監(jiān)測光伏輸入和存儲行為，提供了能量流的細粒度視圖，揭示了關(guān)鍵指標，如芯片的超低休眠電流(<300 nA)和高效喚醒能耗(EM4 模式僅 17 μJ)。這些數(shù)據(jù)凸顯了在能量受限環(huán)境中實現(xiàn)持續(xù)運行的可行性。

此外，評估表明，通過合理的功耗分析和設(shè)計權(quán)衡，此類系統(tǒng)可以實現(xiàn)自給自足，這在完整的傳輸-休眠周期中凈負電流的結(jié)果中得到了驗證。這不僅證明了能量采集架構(gòu)的可行性，還強調(diào)了選擇低功耗組件以及根據(jù)實時能量可用性持續(xù)優(yōu)化固件行為的重要性。采用超級電容器和混合存儲方案進一步增強了系統(tǒng)在低光照期間的韌性。隨著環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)發(fā)展，此處呈現(xiàn)的洞察和方法論為開發(fā)者構(gòu)建可擴展、可持續(xù)、免維護的IoT解決方案提供了實用藍圖。借助xG22E能量采集探索套件和Otii的功耗分析工具，無電池物聯(lián)網(wǎng)的未來不僅充滿希望——它已經(jīng)觸手可及。