作者：Maurizio Di Paolo Emilio，特約作家

近年來，對超低功耗的要求一直是最重要的電子設(shè)計標準。在許多情況下，水平從 mW 急劇下降到 μW 或 nW。作為直接結(jié)果，還開發(fā)了新技術(shù)來解決能源問題。超低功耗微控制器 (MCU) 和能量收集的結(jié)合催生了以前無法實現(xiàn)的廣泛應用，從而提高了電子設(shè)備的自主性水平。能量收集是使用不同的方法（例如熱電和振動）將環(huán)境中存在的環(huán)境能量轉(zhuǎn)換為電能。

能源消耗以及更換或充電電池的需求仍然是采用物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，特別是對于商業(yè)和工業(yè)應用而言。許多低功耗便攜式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以永久工作，由能量收集供電，無需更換電池或充電。

Atmosic Technologies和Matrix Industries宣布合作提高工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 解決方案的能源效率。Atmosic 的超低功耗技術(shù)與 Matrix 的熱電技術(shù)相結(jié)合，將減少環(huán)境影響和電池維護成本。

能量收集的圣杯是允許設(shè)備在偏遠地區(qū)在沒有電池的情況下運行。低功耗設(shè)計和能量收集技術(shù)的結(jié)合可以創(chuàng)建具有連接、處理和跟蹤功能的物聯(lián)網(wǎng)應用。

熱電能量收集

Matrix 正在努力提高基于熱電效應的收獲技術(shù)的效率。熱電效應將材料的溫度變化轉(zhuǎn)化為電壓，反之亦然。最好的熱電材料可以很好地導電并提供良好的隔熱性。

所提供的熱量通過使用塞貝克效應的熱電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電能。目前可用材料的當前熱力學效率約為卡諾極限的 15%。這是由于難以將電傳導與熱傳導分離。納米材料合成技術(shù)的進步和新聚合物的開發(fā)為新一代熱電材料的開發(fā)提供了機會，這些熱電材料更高效、成本更低、機械靈活，可用于生物醫(yī)學設(shè)備等各種應用。

熱電器件的基本組件包括單個結(jié)構(gòu)的 P 型和 N 型半導體熱電材料，每個結(jié)構(gòu)都串聯(lián)電連接。Matrix Gemini 熱電發(fā)電機 (TEG) 是一種高性能能量收集設(shè)備，專門設(shè)計用于最大限度地從低溫熱源轉(zhuǎn)換為電能。它采用穩(wěn)定、高性能的熱電材料，效率比傳統(tǒng)熱電材料高 30%（圖 1 和圖 2）。

圖 1：帶有熱電能量收集的電路圖。Matrix 的 Mercury IC 是一款毫微功率能量收集同步升壓轉(zhuǎn)換器，具有微瓦冷啟動、輸入阻抗匹配和穩(wěn)壓功能。

圖 2：用于能量收集的 MATRIX TEG。

Matrix PowerTile 是基于熱電的電源的一個例子，它從大約 2°C 的最小溫度變化中獲取電力。它可以埋在地下或嵌入到建筑基礎(chǔ)設(shè)施中，為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點提供持久的動力。（圖 3）。

圖 3：MATRIX TEG 的布局。

“熱電工程具有顛覆物聯(lián)網(wǎng)能源的巨大潛力。它可以通過溫度波動從稀薄的空氣中收集能量。每個熱電系統(tǒng)都可以定制成各種形狀和尺寸，以適應最終產(chǎn)品的電力需求和設(shè)計，”Matrix 產(chǎn)品副總裁何孟說。“最終，熱電[工程]的發(fā)展允許物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點部署到曾經(jīng)無法接近的地方，釋放無限的可能性。”

沒有電池的新前沿

Atmosic和 Matrix 將與工業(yè)和消費設(shè)備的主要客戶合作，實施由熱電技術(shù)和其他能量收集技術(shù)驅(qū)動的連接解決方案，以提高效率和生產(chǎn)力。

“Atmosic 和 Matrix 致力于減少行業(yè)對電池為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電的依賴，”Atmosic 的首席執(zhí)行官 David Su 說。“Atmosic 創(chuàng)新的最低功耗連接解決方案與 Matrix 的尖端熱電技術(shù)相結(jié)合，將使客戶能夠在各種應用中顯著減少甚至消除對電氣/有線或電池電源的使用，從而節(jié)省成本。”

減少物聯(lián)網(wǎng)應用中有線、電力和電池供電的能源使用可帶來許多經(jīng)濟和環(huán)境效益。與許多需要頻繁更換電池的設(shè)備不同，具有能量收集功能的低功耗物聯(lián)網(wǎng)解決方案的電池壽命顯著延長，或者可以完全無電池，從而簡化維護操作并降低維護成本。

幾年后，估計全球?qū)⒂谐^ 350 億臺聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。Atmosic 和 Matrix 技術(shù)非常適合廣泛的農(nóng)業(yè)工業(yè)應用，以及可穿戴設(shè)備和家庭自動化產(chǎn)品等對訪問至關(guān)重要的消費設(shè)備。此次合作使 Atmosic 能夠擴大其在未開發(fā)的 IIoT 領(lǐng)域的影響力和有用的市場，并擴大其在消費設(shè)備領(lǐng)域的影響力。反過來，Atmosic 的無線技術(shù)使 Matrix 能夠提供與物聯(lián)網(wǎng)的超低功耗連接的全方位服務(wù)解決方案。

“聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能量收集的關(guān)鍵是其基準功耗。Atmosic 設(shè)計了一種極低功耗（比平均功耗低 5 到 10 倍）與標準兼容的藍牙解決方案。因此，收集到的少量能量可以實現(xiàn)無電池或永久電池設(shè)備，”Atmosic 業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁 Srinivas Pattamatta 解釋道。“通過在藍牙 SoC 內(nèi)設(shè)計一個全面的電源管理控制器，可以同時使用多種能量收集技術(shù)，確保持續(xù)供電、持久連接的解決方案。”

光電、熱電、壓電和電動技術(shù)是眾所周知的，通常用于為無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN) 檢測節(jié)點供電，這些節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂破鳌Ｄ芰渴占夹g(shù)可用于提高工業(yè)系統(tǒng)的可靠性和可用性。?

從環(huán)境或“免費”能源為無線傳感器節(jié)點供電很有趣，因為它可以消除對電池或電纜的需求，在更換或維護電池困難、昂貴且需要大量勞動力時提供明顯優(yōu)勢。

審核編輯 黃昊宇