能量收集技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電的發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)趨勢(shì)

作者：賽普拉斯半導(dǎo)體公司 Arijit Karmakar 和 Ronak Desai

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展吸引了大量投資，尤其是在機(jī)對(duì)機(jī) （M2M）接口技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)指的不僅是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接個(gè)人電腦和智能手機(jī)，還包括數(shù)十億“物體”與設(shè)備之間的連接。然而，如何為這數(shù)十億設(shè)備供電是設(shè)計(jì)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(wèn)題，但必須經(jīng)過(guò)采購(gòu)、維護(hù)和后期處理程序。而且，當(dāng)設(shè)備安裝在偏遠(yuǎn)位置時(shí)，更加大了維護(hù)電源的難度。

作為替代方案，能量收集技術(shù)能夠?yàn)檫b距物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和傳感器直接供電，并帶來(lái)巨大效能。目前市場(chǎng)上已有幾種可行的技術(shù)，大部分已經(jīng)開(kāi)始投入部署應(yīng)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(shè)備的供電需求，從而推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)增長(zhǎng)。

有了能量收集解決方案，電子系統(tǒng)就能夠在沒(méi)有傳統(tǒng)電源的情況下獨(dú)立運(yùn)作。然而，無(wú)論這種方案多么的方便和靈活，能量收集技術(shù)還是具有一定的多面性和局限性的。這是一個(gè)可行的解決方案，但絕不是一個(gè)簡(jiǎn)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?jī)?chǔ)存設(shè)備。此外，能量收集效率也是能量收集設(shè)備設(shè)計(jì)的重要因素。

本文將介紹能量收集、能量?jī)?chǔ)存和電源管理解決方案的優(yōu)點(diǎn)、構(gòu)建以及發(fā)展趨勢(shì)。

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(zhuǎn)化為電能的過(guò)程。獲取的電量可直接使用或儲(chǔ)存下來(lái)留作未來(lái)使用。對(duì)于無(wú)法使用本地電網(wǎng)的遙距部署設(shè)備，能量收集解決方案在為各類電子設(shè)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(lái)自于無(wú)線電能量（RF 源）、壓電元件的振動(dòng)動(dòng)能、壓力能或者光電電池的光能。接著將收集到的能量轉(zhuǎn)化為電能，并儲(chǔ)存在耐用儲(chǔ)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(hù)的附加電路的存儲(chǔ)裝置。

能量收集技術(shù)應(yīng)用不僅限于延長(zhǎng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電池壽命，還可以用作工業(yè)、商業(yè)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用的替換電源，如可穿戴電子產(chǎn)品、可植入設(shè)備、遠(yuǎn)程腐蝕監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)檢測(cè)等。

為什么能量收集對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來(lái)說(shuō)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(chǎng)機(jī)遇，預(yù)測(cè)到 2020 年，將會(huì)有超過(guò) 300 億臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。在不久的將來(lái)，幾乎每一臺(tái)設(shè)備，從傳感器、儀器、汽車、可穿戴電子產(chǎn)品以及溫度調(diào)節(jié)器、冰箱等嵌入式系統(tǒng)都將會(huì)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(shè)備將連接至無(wú)線網(wǎng)絡(luò)并擁有較長(zhǎng)的使用壽命。電池似乎是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，但要在小型裝置內(nèi)安裝電池，通常都不太可行。此外，電池維護(hù)和更換的成本也不低?？紤]到我們需要充足的電源，能量采集將會(huì)是解決電池問(wèn)題的可行方法。實(shí)際上，能量收集能夠支撐電子系統(tǒng)依靠環(huán)境電源運(yùn)作幾年。

能量收集的基本構(gòu)建模塊

能量收集系統(tǒng)的基本構(gòu)建模塊通常包括：

換能器和轉(zhuǎn)換電路：換能器從不同的電源中獲取非傳統(tǒng)能量，并轉(zhuǎn)化為電能。典型的換能器示例包括：光電電池轉(zhuǎn)化光能、熱電裝置轉(zhuǎn)化熱能、壓電元件轉(zhuǎn)化振動(dòng)動(dòng)能等等。

能量?jī)?chǔ)存設(shè)備：例如電池和超級(jí)電容器，可用于儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化生成的電能。

電源管理電路：電源管理電路由一個(gè)穩(wěn)壓器組成，根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)行電源管理。

圖1：能量收集系統(tǒng)的基本構(gòu)建模塊

現(xiàn)今的發(fā)展趨勢(shì)與技術(shù)

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(yáng)光、射頻信號(hào)和振動(dòng)動(dòng)能等。每一種類型的能量收集都需要電源轉(zhuǎn)換電路、能量?jī)?chǔ)存設(shè)備和 PMIC 產(chǎn)品。

收集太陽(yáng)能：小型太陽(yáng)能電池含有光電電池，能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)化成電能。然而，對(duì)室內(nèi)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，環(huán)境光通常不是非常強(qiáng)烈，強(qiáng)度一般約為 10 μW/cm2。室內(nèi)能量收集系統(tǒng)收集的能量受到太陽(yáng)能模塊尺寸大小、環(huán)境光強(qiáng)度及光譜組成的限制。通常來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能電池收集的電能可以用于電池或超級(jí)電容器的充電，從而為設(shè)備提供穩(wěn)定的電源。如今，此類太陽(yáng)能電池已廣泛應(yīng)用于消費(fèi)者應(yīng)用和工業(yè)應(yīng)用中，如玩具、手表、計(jì)算器、路燈、移動(dòng)電源和衛(wèi)星。

收集動(dòng)能：壓電換能器受到振動(dòng)和移動(dòng)時(shí)能夠產(chǎn)生電能。因此，設(shè)備能夠?qū)⒄駝?dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為 AC 電壓，AC 電壓經(jīng)過(guò)調(diào)整后，向系統(tǒng)提供電力。有多種不同的方法可以收集來(lái)自動(dòng)能的能量。例如，用戶按下遙控器按鈕時(shí)產(chǎn)生的能量可以收集起來(lái)用于發(fā)送一個(gè)低耗能的無(wú)線電信號(hào)。同樣地，當(dāng)有人走過(guò)時(shí)，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(shù)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(yīng)，根據(jù)兩個(gè)不同導(dǎo)體接合處的溫度差而產(chǎn)生電壓。利用由系統(tǒng)內(nèi)溫度變化而產(chǎn)生的電能，能夠運(yùn)作供電好幾年，尤其是低功耗電路設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。這種技術(shù)在回收熱量損失方面很有用。最新的技術(shù)發(fā)展將會(huì)利用人體熱量為穿戴設(shè)備的健康傳感器供電。

開(kāi)發(fā)工具

由于能量收集技術(shù)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(shè)計(jì)工程師需要仔細(xì)評(píng)估能量需求并選擇相應(yīng)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(shè)備的能量需求也會(huì)有所不同。設(shè)計(jì)過(guò)程中需要進(jìn)行試驗(yàn)或者會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，有時(shí)候還需要進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)。因此，使用開(kāi)發(fā)套件能夠幫助開(kāi)發(fā)者進(jìn)行早期實(shí)驗(yàn)并完成系統(tǒng)的初始原型。

如今，投資物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的行業(yè)已經(jīng)引用了多種物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)套件。使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工具以后，可以準(zhǔn)確地計(jì)算、評(píng)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(luò)的 Easy DesignSim 設(shè)計(jì)工具，讓所有用戶能夠輕松地計(jì)算并調(diào)查能量收集量。

圖2：能量收集入門套件，包含了針對(duì)最小能量消耗進(jìn)行了優(yōu)化的原始無(wú)線協(xié)議，以及帶 ARM Coretex M3 內(nèi)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(shù)，簡(jiǎn)化并加快了無(wú)線傳感器模組的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。這款低功耗的無(wú)線協(xié)議能夠替代 ZigBee 或藍(lán)牙等低功耗無(wú)線協(xié)議。套件中的微控制器是賽普拉斯基于Spansion ARM Cortex M3 內(nèi)核的FM3 微控制器，能夠根據(jù)不同的 ARM 開(kāi)發(fā)進(jìn)行定制。

圖3：利用能量收集技術(shù)驅(qū)動(dòng)低功耗藍(lán)牙信標(biāo)的入門套件能夠與太陽(yáng)能電池、壓電元件或其他傳統(tǒng)配件配套使用

另一個(gè)能量收集入門套件可以幫助開(kāi)發(fā)者利用能量收集技術(shù)建立低功耗藍(lán)牙信標(biāo)?？梢允褂锰?yáng)能電池或壓電元件進(jìn)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(lán)牙轉(zhuǎn)換的無(wú)線模組。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)入門套件可用于能量收集

技術(shù)挑戰(zhàn)

在設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能量收集系統(tǒng)的過(guò)程中，開(kāi)發(fā)者面臨的最大技術(shù)挑戰(zhàn)和操作挑戰(zhàn)就是要找到一個(gè)可行的能量?jī)?chǔ)存解決方案。最初的產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(gè)問(wèn)題，制造商開(kāi)始使用可充電電池作為主要的能量?jī)?chǔ)存。

如今，鎳鎘電池和鋰電池等可充電電池已應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(yīng)用中的長(zhǎng)期應(yīng)用。因此，尋找改進(jìn)電池技術(shù)的解決方案，是設(shè)計(jì)工程師如今面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

除此之外，設(shè)計(jì)師還需要克服提供能量收集設(shè)備效率的主要缺點(diǎn)。用于將非傳統(tǒng)環(huán)境能量轉(zhuǎn)換成電能的換能器的轉(zhuǎn)換效率通常限制在10％。另外，用于儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化能量的電路會(huì)有能量損耗。加上所有損耗，產(chǎn)品只能獲得能量來(lái)源約 1％的能量。因此，設(shè)計(jì)師需要進(jìn)行非常仔細(xì)的分析和建模，從而通過(guò)能量收集和電路的功率需求來(lái)平衡可用能量。

本文簡(jiǎn)要介紹了能量收集、能量?jī)?chǔ)存和電源管理解決方案的最新技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)。有了能量收集 PMIC 產(chǎn)品，嵌入式電子設(shè)備的開(kāi)發(fā)似乎變得更加簡(jiǎn)單了。在電源管理方面，有越來(lái)越多可行的供電技術(shù)，能夠?yàn)榧矣秒娖?、穿戴設(shè)備及電子產(chǎn)品等各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電。在未來(lái)幾年里，預(yù)測(cè)最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)是為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電的無(wú)線電力傳輸、熱電技術(shù)和太陽(yáng)能收集技術(shù)。以后，我們將會(huì)看到更多為能量收集而設(shè)計(jì)的 PMIC 產(chǎn)品，以及低功耗微控制器，從而推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的前進(jìn)發(fā)展。技術(shù)進(jìn)步將貫穿于消費(fèi)者、工業(yè)和醫(yī)療市場(chǎng)等垂直市場(chǎng)中，創(chuàng)造出超乎想象的新技術(shù)應(yīng)用。