能量收集技術(shù)會(huì)促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的快速增長嗎？

隨著智能的理念迅速應(yīng)用到我們周圍的許多“事物”，從燈泡、家用電器和汽車，到醫(yī)療傳感器、工業(yè)設(shè)備，甚至整個(gè)城市，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）顯然都正在其中快速應(yīng)用。根據(jù)Gartner的分析數(shù)據(jù)，到2020年，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量預(yù)計(jì)將達(dá)到204億個(gè)，相當(dāng)于目前地球上人口數(shù)量的許多倍。

然而，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展并非一帆風(fēng)順。其中一個(gè)挑戰(zhàn)是讓這些數(shù)十億的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備每周7天，每天24小時(shí)全天候工作，而不管它們處的具體位置和何種應(yīng)用。定期更換電池肯定要增大成本和人力資源投入。此外，這些設(shè)備需要增加的能源對(duì)環(huán)境的影響也需要認(rèn)真考慮。

目前出現(xiàn)的一個(gè)新興解決方案可以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，這種新技術(shù)即是能量收集。利用這項(xiàng)技術(shù)，可以從周圍環(huán)境中捕獲能量并轉(zhuǎn)化為電能，能量的來源可能包括多種可能途徑（如環(huán)境光、振動(dòng)、熱量或射頻等），這些能量如果不加以利用也將白白浪費(fèi)掉。

在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，能量收集的目標(biāo)不是產(chǎn)生大量的電能，而是在任何能找到少許能量的地方加以利用。以環(huán)境光為例，根據(jù)光源是在室外的還是在室內(nèi)，收集的功率通常在10μW/cm2到10mW/cm2之間。運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量約為4μw/cm2至100μw/cm2，同樣取決于能量來源（即運(yùn)動(dòng)是源于人還是機(jī)器）。類似，可從人體中提取的熱能約為30μw/cm2，而從RF中提取的能量約為0.1μW/cm2。

簡(jiǎn)單來說，能源收集技術(shù)將能夠使企業(yè)真正利用物聯(lián)網(wǎng)中的能量，同時(shí)可節(jié)省原本要花費(fèi)在電池上的投入和時(shí)間。根據(jù)市場(chǎng)研究公司IDTechEx的數(shù)據(jù)，到2022年，全球每年的能量收集收入將超過50億美元。考慮到這項(xiàng)技術(shù)的未來增長趨勢(shì)，它對(duì)于行業(yè)有哪些影響呢？

能量收集系統(tǒng)的構(gòu)建模塊

從本質(zhì)上講，能量收集分三個(gè)步驟：收集、調(diào)節(jié)和儲(chǔ)存。傳感器從能量源（如環(huán)境光、熱、振動(dòng)、壓力、射頻等）捕獲能量并輸出電能。接下來，電源管理IC調(diào)節(jié)輸入電壓以適應(yīng)負(fù)載要求，然后將能量輸送給存儲(chǔ)設(shè)備（通常是超級(jí)電容器），該存儲(chǔ)設(shè)備在低功率、間歇性主能源、高功率和連續(xù)負(fù)載之間起緩沖作用。

根據(jù)主能源的不同，能量采集系統(tǒng)使用不同類型的傳感器。例如，光伏能源收集系統(tǒng)可以從室外和室內(nèi)捕獲光能，以補(bǔ)充甚至最終消除消費(fèi)類和工業(yè)應(yīng)用中的電池。同樣，壓電傳感器在有壓力或運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力時(shí)能夠產(chǎn)生電壓，在汽車、飛機(jī)、自動(dòng)化設(shè)備甚至人體振動(dòng)中，這些傳感器能夠?yàn)樵S多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供能量。來自Mide的PPA-1021是一個(gè)0.74mm厚的壓電傳感器，通過捕獲振動(dòng)能量在28.2V下產(chǎn)生4.5MW的直流輸出。

通過利用廢熱，熱電傳感器在兩種不同金屬連接處存在溫差時(shí)能夠產(chǎn)生功率，這種現(xiàn)象被稱為塞貝克（Seebeck）效應(yīng)。Micropelt TE-CORE熱收集模塊用于收集本地可用的廢熱，并將其轉(zhuǎn)化為電能。它在<10°C的溫差下工作，能夠提供1.8V～4.5V的可配置輸出。

管理收集的功率

為了調(diào)節(jié)所收集的能量并保持連接負(fù)載的穩(wěn)定電源，能量收集設(shè)備需要包括某種形式的電源管理集成電路（PMIC）。賽普拉斯（Cypress）的能量收集電源管理IC S6AE101A 專為超低功部署而設(shè)計(jì)，只需分別為250nA和1.2μW的工作電流和啟動(dòng)功率。通過使用該芯片，在大約100lx的低照度條件下，緊湊型太陽能電池可以提供足夠的功率供物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行。如圖1所示，它采用內(nèi)置的開關(guān)控制可將產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)在輸出電容器中。如果太陽能電池的電力不足以滿足所連接的負(fù)載需求，電池儲(chǔ)備的電力可以補(bǔ)充電力。作為一種免電池的無線傳感器節(jié)點(diǎn)解決方案，它具有過壓保護(hù)（OVP）機(jī)制，其應(yīng)用包括用于供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)、照明和安全系統(tǒng)的無線傳感器，以及藍(lán)牙智能傳感器等等。

圖1：基于Cypress S6AE101A PMIC的太陽能功率收集電源管理系統(tǒng)。（來源：Cypress）

Linear Technology的LTC3588-2是另一款能量收集PMIC，設(shè)計(jì)用于直接與壓電、太陽能或磁性傳感器連接。它可以校正電壓波形，并將收集到的能量存儲(chǔ)在外部電容器上。LTC3588-2通過內(nèi)部分流穩(wěn)壓器排出多余的功率，同時(shí)通過一個(gè)高效的納米功率同步降壓穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)輸出電壓。它具有四個(gè)可選輸出電壓，分別為3.45V、4.1V、4.5V和5.0V，可提供高達(dá)100mA的連續(xù)輸出電流。為了提供過壓保護(hù)，該芯片包括一個(gè)設(shè)置為20V的輸入保護(hù)分流器，其潛在應(yīng)用包括胎壓傳感器以及移動(dòng)資產(chǎn)跟蹤等等。

為了充電和保護(hù)微功率存儲(chǔ)設(shè)備，美信（Maxim Integrated）所提供的MAX17710 PMIC帶有升壓穩(wěn)壓電路。該芯片采用12引腳UTDFN封裝，專門針對(duì)在能量采集場(chǎng)景中常見的穩(wěn)壓不良電源而進(jìn)行了優(yōu)化，適用的電壓水平可低至0.75V。MAX17710 PMIC的功率輸出值在1μW到100mW之間，還包括一個(gè)用于過充電保護(hù)的內(nèi)部穩(wěn)壓器，提供給目標(biāo)應(yīng)用的輸出電壓通過低壓降（LDO）線性穩(wěn)壓器進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有3.3V、2.3V或1.8V可選輸出電壓。輸出穩(wěn)壓器能夠在可選的低功率或超低功率模式下工作，以最大限度降低儲(chǔ)能設(shè)備的功耗。

圖2：通過Maxim MAX17710實(shí)現(xiàn)的用于充電微功率存儲(chǔ)設(shè)備的能量收集系統(tǒng)。（來源：Maxim Integrated）

提供連續(xù)的穩(wěn)定功率

超級(jí)電容器具有很高的儲(chǔ)能能力，可為依賴于能量收集設(shè)備中的連續(xù)負(fù)載提供穩(wěn)定的功率。Murata公司的DMH系列超級(jí)電容器具有高電容容量，可為此類設(shè)備提供能量緩沖和峰值功率輔助。這些超級(jí)電容器具有35mF的電容、4.5V的額定電壓和300mΩ的靜態(tài)電阻（ESR），封裝大小為20mm x 20mm x 0.4mm，適用于空間和電池壽命受限的應(yīng)用。這些超級(jí)電容器只具有薄紙的厚度，可以安裝在鈕扣電池下面，智能卡內(nèi)部，或者設(shè)備屏幕后面，其關(guān)鍵應(yīng)用包括可穿戴技術(shù)、零售系統(tǒng)、電子閱讀器和低厚度I/O智能設(shè)備等。

開發(fā)新產(chǎn)品

eZ430-RF2500-SHE是德州儀器的太陽能收集開發(fā)工具，能夠幫助設(shè)計(jì)工程師創(chuàng)建和測(cè)試一個(gè)永久供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。該工具采用超低功耗MCU，包括一個(gè)高效太陽能電池板，可提供足夠的功率來為無線傳感器應(yīng)用供電，即使在室內(nèi)照明條件下也不需要任何額外的電池。

Wurth Electronics提供的To Go Kit也是一個(gè)完整的開發(fā)工具，它通過一個(gè)封裝可提供能量收集、能量管理和存儲(chǔ)等功能。該套件包括一個(gè)太陽能電池板（32mm x 50mm）和一個(gè)熱能發(fā)電機(jī)（thermos-generator）（40mm x 40mm）作為兩個(gè)能量收集源，并配有一個(gè)采用48MHz ARM Cortex?M3內(nèi)核的EFM32 Giant Gecko MCU。

隨著能源收集技術(shù)在幾乎所有領(lǐng)域都在展現(xiàn)出綠色能源的光明前景，研究人員正在努力探索新的可能應(yīng)用。在這種背景下，密歇根大學(xué)的科學(xué)家們幾乎達(dá)到了這項(xiàng)技術(shù)的核心，開發(fā)出了一種從人體心跳獲取能量的裝置，從而為起搏器或植入式除顫器提供能量，這一進(jìn)展可以消除與關(guān)鍵醫(yī)療設(shè)備需要定期更換電池相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)和麻煩。同樣，研究人員也在努力從人體熱量、運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)中獲取能量，以滿足植入式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功率需求。能源在我們周圍有很多，但目前大多還不能有效作為電能利用。能源收集技術(shù)彌合了這一鴻溝，因此，它將在我們未來的所有努力中發(fā)揮重要作用。