/ 能量收集 /

效率的重要性與生俱來。通過利用效率優勢讓額外資源的支出發揮出更大價值，可以提高性能，盡量降低成本并減少浪費。能量收集提供了一種利用環境能量為電氣設備供電的方法。對于使用電池的設備，能量收集可以延長電池的使用壽命或完全替代電池的能量貢獻。

超低功耗 (ULP) MCU是能量收集的合理選擇。這些器件常用于可穿戴技術、無線傳感器和其他需要延長電池使用壽命的邊緣應用中。接下來我們將介紹下能量收集在實踐中的工作原理，這有助于理解能量收集對ULP MCU的價值。

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能量收集的工作原理

原則上來說，能量收集是一個簡單的概念。它要解決的問題是主要能源（電池、燃料、電網）數量有限。而且，盡管有取之不竭的環境能量可供捕獲，但這些能量無法100%轉換為可用能量。這也是風力渦輪機成為大型可再生能源的原因。渦輪機從風中接收勢能，使葉片圍繞轉子旋轉，而轉子與發電機相連產生電能。其他大規模環境能源包括太陽能、海浪和地熱等。

可穿戴設備和無線傳感器等較小尺寸的技術產品可以收集動能、熱能或環境電磁輻射能。這些能量形式的每一種都使用不同的機制將源功率轉換為可用能量。每種能源的效用和實用性都是重要的考慮因素，因為具體應用可能會限制能量轉換所需設備的尺寸和質量。

熱輻射對無線傳感器很有用，因為傳感器的設計和放置可同時利用兩種形式的能源。在車上，靠近道路的傳感器可以接受來自柏油路的輻射熱。而其他傳感器則可以利用來自高振動位置（例如靠近車輪或發動機部件）的動能。對于超低功耗MCU，從人類用戶的運動中回收的動能是目前非常實用的可轉換能量形式。

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超低功耗MCU的機遇

由于ULP MCU的主要應用是可穿戴技術，因此以極低的系統功耗處理邊緣數據至關重要。能量收集減少了對可穿戴技術電池的能量需求，電池的能量有限，需要在電量耗盡后定期充電或更換。電池的廢棄處理也存在挑戰，因為電池所用的材料不易回收。ULP MCU能量收集器通過壓電、電磁或摩擦電發電機捕獲動（機械）能。

壓電

“壓電”一詞源自希臘語，意為擠壓或按壓。動能壓縮壓電材料，產生電場。工程師根據預期的機械負載和電場密度選擇材料，并平衡其功率貢獻潛力與材料特性，這些特性會在電場存在時使材料變形。這些相互競爭的因素使設計人員能夠優化能量收集器對反復增加主電池功率所做的貢獻。一些估計表明，動力運動平均可為ULP MCU的主電源增加10mW。

電磁輻射

另一種用于小型MCU的能量收集技術是電磁輻射。無線電、紅外線、紫外線和微波通過空氣攜帶輻射能。環境電磁波使磁場中的結構振動，通過特定尺寸的磁鐵和氣隙設計將機械振動能轉換為電能。這種方法能為系統貢獻大約0.3mW的收集功率。

摩擦電納米發電機

ULP MCU的最終轉換介質是摩擦電納米發電機 (TENG)。該技術將[不同]材料應用于承受機械運動（如旋轉、振動、擺動和膨脹/收縮）摩擦的表面。電極支撐這些材料，回收由材料摩擦產生的電荷不平衡（靜電）所產生的能量。這種方法提供的補充功率是壓電的十分之一，大約為1-1.5mW。

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結語

對于可穿戴技術和無線傳感器網絡，超低功耗MCU的日常應用大概消耗數十毫瓦的功率。鋰離子電池是以合適的時長提供電力的絕佳選擇。但電池在寒冷天氣的敏感性和用戶對延長電池壽命的需求推動著當前技術不斷突破極限。通過壓電、電磁輻射和摩擦電源收集機械能，可為電池提供高達10%的輔助壽命。

隨著電阻和電流負載技術的不斷優化，這些技術的持續改進最終可能會讓ULP MCU器件中不再需要電池。這是一場微型電池開發與增強動力之間的競賽，無論哪種方式，消費者都是最后的贏家。

Adam Kimmel擁有近20年執業工程師、研發經理和工程內容撰稿人經驗。

他編寫過白皮書、網站副本、案例研究以及博客文章，內容涉及汽車、工業/制造業、科技和電子等垂直市場。Adam擁有化學和機械工程學位，并且是工程和技術內容寫作公司ASK Consulting Solutions, LLC的創始人兼總負責人。

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