作者：貿澤電子 Mark Patrick

隨著4G/5G通信技術的進步，以及智能設備能源效率的提高，這將意味著物聯網（IoT）會很快普及。這里有一組參考數據，IDC預測，到2022年，全球每年在物聯網技術的支出將達到1.2萬億美元（從現在到2022年的復合年增長率為13.6％）。此外，MarketsandMarkets Research預測，到2023年，將有172億個IoT節點和網關投入運營。但是，要使IoT真正普及，所有節點需要能夠在其可能位置（尤其是難以到達的位置）連續運行。在難以到達地點布置物聯網節點，可能使進行定期維護變得不切實際（或至少非常昂貴），更不用說進行緊急維修了。此外，還必須為數千個節點更換電池，并需要配備員工來進行此類電池更換等活動，這些都是擴展物聯網應用的主要障礙。

立足現有，盡其所能

如今，作為一種可為超低功耗IoT應用提供電源的方式，能量收集技術一直在被廣泛研究，它主要是利用節點自身內部和周圍環境具備的潛在能源來產生電力。一種最容易得到的能量收集來源是太陽能，利用光伏（PV）電池可將入射光的能量轉換為電能。其他潛在的能源包括射頻（RF）輻射、壓電和熱電等等。但是，由于這后幾張能源完全取決于周圍環境，所提供的電量非常低，并且往往不規律。

在光伏技術的開發方面，已經取得了很大成就，其中包括如何使其更加高效和更具有成本效益。例如，已經開發出可以印刷在柔性材料上的光伏電池，能夠完美匹配相關物聯網設備表面。盡管如此，該行業仍然面臨著一些非常明顯的困難，即節點在一天里只能有一半時間可以從陽光獲取能量。

通過收集周圍的RF能量，可以對基于電池的低功耗設備進行無線充電，而RF輻射來源則包括周圍數十億個無線電發射器、手機、電視/無線電廣播電臺等，也包括通過整流天線進行功率傳輸的專用RF。同時，熱電能量收集器有望從電機、汽車發動機、燈泡甚至人體中獲取能量。另外，還可通過使用壓電方法從重型機械設備的振動、門的關閉或辦公樓的空調通風口等處獲取能量。

要確定合適的能源收集技術，取決于物聯網節點所處的環境，這使得難以設計一種通用的能量收集技術。在某些情況下，一種有效的解決方案或許是兩種能量收集技術的組合，例如太陽能與RF，或者熱量與RF。另一個需要考慮的問題是，在需要收集或釋放一些電能時，將小型、薄膜或印刷柔性充電電池與超級電容器結合使用是否最合適，或者完全放棄電池而僅使用超級電容器。

電池和超級電容器

Renata的 CP042350 3V薄膜原電池（primary cell）具有極低的外形和高度可彎曲的特性（可進行1000次以上直徑為50mm的彎曲循環）。它的自放電率很低，每年僅為1％。該電池的平均重量僅為0.86g，不含汞，保存壽命可長達10年（在23°C下保存）。它是基于Li/MnO2化學組分，在-40°C～60°C的工作溫度范圍內具有25mAh的標稱容量和小于30Ω的內部電阻。

村田制作所（Murata）的DMH系列超薄超級電容器采用20mm x 20mm x 0.4mm封裝，在-40°C～85°C的工作溫度范圍內，所有組件均具有35mF的電容和4.5V額定電壓和300mΩ靜態電阻（ESR）。這些組件具備光滑的外形，能夠安裝在紐扣電池下面或節點內任何其他可用空間。

智能電源管理

無論采用哪種能量源或儲能方法，都必須使收集的功率最大化，而耗散的功率則必須保持盡可能低，這可以通過采用新推出的新型電源管理IC（PMIC）來實現。

ADI公司的LTC3588-2集成了一個低損耗全波（full-wave）橋式整流器和一個高效降壓轉換器。這種結合為工程師提供了一個完整且優化的能量收集解決方案，可從各種不同能量源（包括壓電、機電和太陽能電池以及磁傳感器）獲取能量。LTC3588-2在處于欠壓鎖定（UVLO）模式時，只消耗830nA的超低輸入靜態電流，具有16V的電壓上升閾值，可實現高效的能量收集。UVLO閾值還可通過高效同步降壓調節器實現輸入到輸出電流的倍增。降壓轉換器具有休眠狀態，可在調壓時將輸入和輸出靜態電流降至最低。它可以通過選擇引腳設定四個輸出電壓，分別為3.45V、4.1V、4.5V和5.0V，同時具有高達100mA的連續輸出電流，使該器件非常適用于超級電容器以及鋰離子和LiFePO4電池。輸入保護分流功能可提供過壓保護（20V時下拉電流可高達25mA）。

圖1：LTC3588-2 典型應用。

賽普拉斯（Cypress）的S6AE101A能量收集PMIC專門用于微型太陽能電池供電的無線傳感器等應用，其中使用的光伏電池可小至1cm2。S6AE101A覆蓋2V～5.5V的輸入電壓范圍，輸出電壓可配置在1.1V～5.2V之間。這些PMIC均使用內置的開關控件將隨附太陽能電池產生的功率存儲到輸出電容器，太陽能電池輸入引腳同時內建有過壓保護。該PMIC采用3mm x 3mm SON-10封裝，具有1.2μW的啟動功率和最小至250nA的電流消耗，這樣能夠增加目標應用中用于感測、處理和通信功能的功率，可應用于諸如樓宇/工廠自動化和智能農業領域的BLE信標和無電池的無線傳感器等應用。

圖2：賽普拉斯S6AE101A。

Maxim Integrated的MAX17710能量收集充電器和保護器IC集成了從周圍環境收集能量的所有電源管理功能，可提供1μW～100mW的功率輸出。MAX17710內置有一個鋰電池充電器，可提供1nA的待機IQBATT，625nA的線性充電電流和1μW的快速充電功率。這些IC采用3mm x 3mm x 0.5mm UTDFN封裝，支持1.8V、2.3V或3.3V的低壓降（LDO）電壓。升壓穩壓器電路可使其從低至0.75V（典型值）的電源進行充電。

圖3：MAX17710的簡化工作電路。