隨著組織追求數(shù)字化轉(zhuǎn)型，物聯(lián)網(wǎng)部署繼續(xù)取得進(jìn)展，各種形式的智能生活是提高生活質(zhì)量和可持續(xù)性的關(guān)鍵。

物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)往往是傳感器，或者不太常見的是無線連接到聚合設(shè)備或互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的執(zhí)行器。它們通常大量部署，并且在智能城市，智能工廠或智能農(nóng)業(yè)等場景中，分散在較大的地理區(qū)域內(nèi)。進(jìn)行現(xiàn)場維護(hù)的成本通常高得令人望而卻步。此外，廢棄的電池代表著越來越不可接受的環(huán)境負(fù)擔(dān)。

在設(shè)計(jì)端點(diǎn)時，工程師可以通過安排足夠的能量供應(yīng)來延長器件的預(yù)期壽命，從而避免更換電池的需要。這可能需要幾年時間。由于尺寸限制，紐扣電池的外形通常是可取的。如果存儲的能量低于系統(tǒng)要求，則可以選擇安裝更大的電池。

另一種方法是重新設(shè)計(jì)電路，以將整體系統(tǒng)能量需求降低到可用電池存儲以下。任何一種方法，或兩者兼而有之，都可能無法達(dá)到目標(biāo)。

微能量收集，以微瓦或毫瓦為單位，可以提供有用且可能取之不盡、用之不竭的電能供應(yīng)，從周圍環(huán)境中捕獲。這可以補(bǔ)充或替換原代電池，具體取決于應(yīng)用和環(huán)境能量。收集到的能量和轉(zhuǎn)換的能量可以直接為電路供電。另一方面，將能量存儲在緩沖區(qū)中直到需要它可能是一種更合適的方法。

在任何情況下，都需要合適的環(huán)境能量源，能夠滿足應(yīng)用的需求。在物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)的各個子系統(tǒng)中，無線電的能源需求最為顯著。分析這里的要求，為能量收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和集成提供信息，這可能是有啟發(fā)性的。

無線電子系統(tǒng)功耗

選擇最合適的無線技術(shù)以盡可能低的功耗提供所需的數(shù)據(jù)速率和通信范圍至關(guān)重要。

如果傳感器距離聚合器或網(wǎng)關(guān)（如連接到互聯(lián)網(wǎng)或通過本地電信交換機(jī)的集線器或路由器）僅不遠(yuǎn)，則藍(lán)牙、Zigbee 或 Wi-Fi 等技術(shù)可能適用，具體取決于所需的數(shù)據(jù)速率以及成本限制。在其他情況下，例如端點(diǎn)分布在地理上較大的區(qū)域，可能需要LPWAN或蜂窩連接。圖1比較了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中使用的主要技術(shù)的功耗、數(shù)據(jù)速率、典型最大范圍和相對成本。

圖 1.流行的物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)比較。（資料來源：貝洱科技）。

范圍、數(shù)據(jù)速率和功耗也可以用數(shù)字表示，以幫助直接比較。如圖2所示，無線子系統(tǒng)的功耗可低至150μW至400mW。

圖 2.數(shù)據(jù)速率、帶寬和功耗之間的比較。（資料來源：沃勒系統(tǒng)公司。

為了充分了解對系統(tǒng)整體能源需求的影響，還需要考慮占空比。智能公用事業(yè)電表等應(yīng)用涉及每天或每隔幾天發(fā)送幾次小數(shù)據(jù)包。其他設(shè)備（如安全攝像頭）可能需要頻繁或連續(xù)發(fā)送大量數(shù)據(jù)。根據(jù)應(yīng)用的不同，通過在傳輸之前在系統(tǒng)內(nèi)本地過濾數(shù)據(jù)，可以降低占空比;相機(jī)可能裝有運(yùn)動傳感器，僅在檢測到活動時才開始記錄，或者嵌入式圖像處理可能會丟棄無趣的數(shù)據(jù)。當(dāng)然，過濾數(shù)據(jù)所需的能量必須與通過降低占空比節(jié)省的能量進(jìn)行比較，以確保凈收益。

環(huán)境能源

在了解了無線子系統(tǒng)所需的能量和功率之后，可以評估合適的環(huán)境源和微能量收集技術(shù)。

適合為這些系統(tǒng)供電的主要微能量收集技術(shù)是太陽能電池陣列，由振動激活的壓電或靜電轉(zhuǎn)換器，以及將溫度梯度轉(zhuǎn)換為電動勢（EMF）的帕爾貼器件。通過貼片或線圈天線捕獲的射頻能量源往往不適合除最節(jié)儉的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之外的所有應(yīng)用。圖3比較了與這些技術(shù)相關(guān)的典型能量密度。利用這些信息，可以通過評估可用組件的尺寸和性能來選擇一種技術(shù)并開始制定規(guī)范。

圖 3.收集的環(huán)境能源的功率密度。

面積為35-40cm的太陽能電池2可以產(chǎn)生約0.5瓦，假設(shè)效率約為20%。這些設(shè)備的體積不到1美元，而壓電式收割機(jī)通常至少要貴一個數(shù)量級，并且產(chǎn)生的能量更少。眾所周知，太陽能電池在室內(nèi)使用時效率較低。然而，最近引入了一些室內(nèi)太陽能收集器，聲稱可以為低功率無線電提供足夠的輸出。

將所有內(nèi)容整合在一起

利用這些進(jìn)步，微能量收集可以被視為減少或消除物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)中電池的解決方案。由于能量源本身通常是不規(guī)則的，并且在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要傳輸或接收數(shù)據(jù)時不一定可用，因此通常需要能量緩沖器或存儲設(shè)備。這可以是可充電電池或電容器（或超級電容器）。需要一個能量收集電源管理IC（EH PMIC）來處理來自收集子系統(tǒng)的能量，管理提供給能量緩沖器的電荷，并在需要時為負(fù)載供電，如圖4所示。各種能量收集技術(shù)具有不同的電氣特性。熱電采集器在低電壓下產(chǎn)生連續(xù)的直流電流，因此阻抗低。雖然太陽能電池也會產(chǎn)生低直流電壓，但電流和阻抗隨光照水平而變化。

圖 4.EH PMIC 處理能量緩沖器的充電并為應(yīng)用供電。

當(dāng)今市場上典型的EH PMICS具有固定的架構(gòu)和輸入電壓范圍，設(shè)計(jì)用于與特定類型的收割機(jī)一起工作。這排除了使用替代收割機(jī)來捕獲額外的環(huán)境能量，如果僅一個來源不能滿足系統(tǒng)要求。因此，如果需要多種能源，則需要為每個能源提供專用的EH PMIC。這增加了系統(tǒng)成本、尺寸和功耗，也使設(shè)計(jì)復(fù)雜化。

一些EH PMIC可以使用外部電路進(jìn)行修改，以調(diào)節(jié)能量收集器的輸出。然而，為了簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，Trameto的EH PMIC（稱為OptiJoule）提供了自主適應(yīng)各種類型的連接收割機(jī)的輸入，并最大限度地提高了輸送到緩沖器的功率，而無需外部電路。這些版本可用于單個輸入或最多四個輸入。多輸入版本具有連接相似或不同類型的收割機(jī)的靈活性。因此，使用OptiJoule器件，可以擴(kuò)展微能量收集能力，將單個PMIC用于多種應(yīng)用，甚至將能量收集技術(shù)的選擇推遲到產(chǎn)品開發(fā)的后期（如果需要）。

結(jié)論

通過優(yōu)化無線電協(xié)議、低能耗微處理器設(shè)計(jì)、低功耗傳感器以及微能量收集效率的提高，環(huán)境能量已成為一種可行的來源，有助于減少或消除對電池的依賴，并延長物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)在現(xiàn)場的使用壽命。EH PMIC的最新發(fā)展允許在集成選定的微能量收集技術(shù)時更加靈活地管理尺寸，成本和復(fù)雜性。

審核編輯 黃昊宇