5G 的推出導致工業 4.0 無線傳感器網絡、智能物流、智能城市、智能農業和其他大規模物聯網應用的數量激增。在此過程中，它為設計人員提供了一個獨特的機會，可以重新考慮網絡架構的許多方面，包括新的功耗范式。

為數十億個無線節點提供可擴展且可靠的電源是一個具有挑戰性的問題。如果不解決，大規模物聯網的推出將受到阻礙。僅僅使用更多的電池是不夠的。在越來越多的情況下，必須補充或消除電池。取而代之的是，將需要各種形式的能量收集（EH）來為大型物聯網的大部分提供動力。對于設計人員來說幸運的是，EH技術不斷進步，使其成為為大規模物聯網設備供電的越來越有吸引力的替代方案。

本博客簡要回顧了為數十億大型物聯網無線節點供電時面臨的挑戰，以及在確定EH是否可以提供可行解決方案時需要考慮的一些因素。然后，它回顧了EM Microelectronics和Nowi的能量收集電源管理IC以及開發環境，以加快大規模物聯網中EH的評估。

在決定如何為大型物聯網節點供電時要考慮的五個因素是：

• 數據速率
• 傳輸范圍
• 延遲
• 操作環境
• 環境影響和管理/物流

數據速率、范圍和延遲會影響節點的峰值和平均功率需求，并取決于所使用的無線通信協議。例如，當使用低功耗藍牙時，10厘米（cm）方形光伏（PV）面板可以大約支持數據包的定期傳輸：

• 在零售店的室內照明水平下每 100 毫秒 （ms） 一次
• 在典型辦公環境中的照明水平下每 200 ms
• 在倉庫和工廠的照明水平下每 2 秒

工作環境也會影響電池的適用性和成本。在零售店或辦公室等相對良性的環境中，較便宜的電池可以提供合理的使用壽命，使EH相對更昂貴。如果無線節點部署在惡劣的工業或室外環境中，則需要更昂貴的電池化學成分，使EH相對更具吸引力。

環境影響和管理問題也進入了畫面。原電池的使用壽命有限，這增加了所需的電池更換次數，增加了維護和管理/物流成本，并導致電池處理對環境的負面影響。為了解決這些眾多問題，設計人員可以從幾種支持EH的替代電源架構中進行選擇：

• 具有補充 EH 的原電池電源可延長電池壽命，在保持電池電源優勢的同時減少負面影響
• 可充電電池與EH相結合，可提供更長的使用壽命并無需更換電池
• 電容器或超級電容器與EH相結合，可實現無電池系統和最長的使用壽命

EH 控制器和電源管理 IC

對于可以從組合電源管理 IC （PMIC） 和 EH 控制器中受益的應用，設計人員可以轉向 EM Microelectronic的 EM8500。該 PMIC 為 EH 源提供最大功率點跟蹤 （MPPT），并為各種系統功能提供四個獨立的輸出電壓（圖 1）。它可以與各種EH技術接口，包括微瓦（μW）至毫瓦（mW）范圍內的熱發電機（TEG）和光伏電池。EM8500 可與一次電池或二次電池、傳統電容器或超級電容器結合使用。型號 EM8500-A001-LF24B+采用 4 x 4 mm 24 引腳 QFN 封裝。

圖 1：EM8500 PMIC 包括用于 EH 源的 MPPT，并為系統提供四個輸出電壓。（圖片來源：EM微電子）

EM8500 開發套件

設計人員可以使用 EMDVK8500 開發套件來配置和評估 EM8500（圖 2）。該開發套件包括配置 EM8500 所需的軟件以及用于測量最終解決方案性能的工具。

圖 2：EMDVK8500 可以配置 EM8500 PMIC 并測量最終解決方案的性能。（圖片來源：EM微電子）

EH 控制器 IC 和評估板

對于不需要完整電源管理解決方案的設計，Nowi 的 NH2D0245是一款緊湊的高性能 EH 控制器，具有 MPPT，采用 16 引腳、3 × 3 mm QFN 封裝，適用于低功耗應用。NH2D0245 可與各種 EH 源配合使用，包括光伏、電感和壓電，以及可充電電池或超級電容器等儲能設備。MPPT算法獨立于特定的收割機運行，可以以1秒的間隔檢測最大功率點，從而最大限度地提高動態環境中的效率。

NH2D0245評估板旨在加快NH2D0245的性能和特性測試（圖3）。要使用此評估板，需要能量收集器、電池或超級電容器以及萬用表。如果使用具有交流 （AC） 輸出的 EH，例如壓電收集器，則必須在 EH 和評估板的直流 （DC） 輸入之間添加整流器。

圖 3：NH2D0245 評估板可以加快 EH 控制器功能和性能的測試。（圖片來源：Nowi）

結論

由5G支持的大規模物聯網的推出將為設計人員提供令人興奮的挑戰和機遇，以重新考慮無線節點的供電方式。必須考慮各種技術、環境和經濟因素，以確定每種應用的最佳電源架構。有必要使用各種基于EH的方法來增強電池的能力。在許多情況下，EH將與一次或二次電池，傳統電容器或超級電容器結合使用。

審核編輯 黃宇