物聯網 （IoT） 正在快速增長，已經部署了數十億臺微型設備，如智能傳感器和執行器。通常，它們是用于收集信息的傳感器，有時會以很小的方式影響環境，以尋求改善生活的方面，例如可持續性，安全性和業務績效。

單個物聯網網絡可以只包含幾個節點，也可以包含數十個、數百個或數千個節點。它們可以部署在密閉空間內或整個大地理區域，例如大型農場、工業場所、城市，甚至跨境部署。

維護大型物聯網端點網絡可能具有挑戰性。雖然固件更新通常可以通過無線方式遠程應用，但更換放電電池等物理維護是勞動密集型且昂貴的：最好避免這種責任，確保電池包含足夠的能量來滿足部署設備在其整個使用壽命內的需求。

隨著每一代新IC利用先進的工藝技術和創新的電路設計來降低功耗需求，并且日益復雜的應用軟件最大限度地利用節能休眠模式，因此可以從單個紐扣電池設計出運行十年或更長時間的小型器件。

這可以足夠長，以消除在系統使用壽命期間更換電池的任何需要。然而，有時需要做更多的工作，將整體能源需求降低到使用合適的電池可以滿足的水平。

如何為您的物聯網系統選擇最節能的無線電

在無線傳感器或執行器中，無線電子系統通常消耗的能量最多。這里的一些工程，通過技術選擇和調整比特率和占空比等方面，可以顯著影響功耗和壽命能量需求。所需的通信范圍以及硬件、許可證和任何網絡訂閱的成本是決定無線電技術選擇的關鍵因素。

圖 1 比較了流行的標準化技術。硬件模塊、軟件和設計知識都可以隨時獲得，以幫助基于這些技術啟動和運行解決方案。

圖1.物聯網應用的流行無線電技術。

在范圍和成本相對不變的約束下，可以通過無線電技術選擇來選擇一些選擇來影響功耗。圖 2 顯示了 Zigbee 如何成為短距離和低數據速率連接的最有效選擇，而如果需要更高的數據速率，藍牙可能更有意義。對于更長的憤怒，可用的替代方案更少，功耗的差異也不那么明顯。可以通過降低占空比來調整無線電子系統的能量需求;通過捕獲更少的傳感器數據;或者通過在端點內進行預處理以丟棄不需要的信息。

圖2.無線電技術的典型功耗，取決于范圍和比特率。

但是，仍然不可能將系統能源需求降低到所需電池可以提供的數量。如果差異很小，可以考慮安裝更大的電池。但是，如果供需差異太大，或者由于某種原因較大的電池不切實際，則可以引入收集環境能量的系統。它可以與電池結合使用以彌補不足，或者完全不需要電池，從而使設備在現場具有基本上無限的使用壽命。

最佳環境能源

現在可以有效地收集幾種環境能源來為電子電路供電，包括太陽能、使用珀爾帖元件收集的熱能以及使用壓電器件捕獲的動能。

為任何給定應用選擇最佳環境能源取決于幾個因素，包括應用的能源需求、可用的能源以及需要最多能量的時間和間隔。

如圖3所示，部署在室外的太陽能電池可以成為大量收集能量的來源。但是，傳感器可能需要安裝在接收很少的日光或部分被陰影覆蓋或可能被可移動物體遮擋的位置。在適當的條件下，熱電元件從工業過程中收集的熱能和使用壓電器件從機器振動中收集的動能可能是可行的替代方案（圖 3）。

圖3.比較能量收集技術的功效。

收集模塊的尺寸 - 無論是太陽能，熱電還是壓電 - 也需要根據應用限制來考慮。

當環境能量不可用時

無論選擇哪種方法，環境能源并不總是以可收集的形式提供。太陽能電池板在黑暗中不能發電，熱電或壓電元件只能在過程或機器運行時收集能量。

為了克服這個問題，能量收集系統通常用于為電池或電容器充電，以便在環境能量不可用時使用。需要能量收集電源管理IC（EH PMIC）來處理收集系統、儲能介質和應用之間的能量流動，并為電池充電和應用提供正確的電源電壓。

典型的傳統EH PMIC經過優化，可與特定類型的能量收集器配合使用，通常僅提供一個輸入。然而，可能需要多種來源來滿足大量的整體能源需求。這些可能是放置在不同位置的相同類型的幾個收割機，或者設計人員可能需要從不同的環境源捕獲能量。

但是，將多臺收割機連接到系統需要單獨的EH PMIC或每個收割機的額外接口電路，從而帶來額外的成本和復雜性，增加占用空間并增加功耗。Trameto 獲得專利的靈活 EH PMIC 通過讓設計人員將多個能量收集設備直接連接到同一設備來克服這一問題（圖 4）。

圖4.Trameto 的多收割、多輸入 EH PMIC。

提供多達四個能量收集輸入的變體，并且可以使用收集技術的任意組合。可能有多達四個太陽能電池板，放置在不同的位置或方向，以優化全天的能量收集，連接到不同機器或機構的多個壓電收集器，幾個熱電收集器或能源混合物。

結論

能量收集系統可用于在遠程部署的物聯網設備中增加或更換電池，并節省與更換電池相關的開銷。

可以考慮各種收集技術，包括太陽能電池、熱電和壓電器件，分別捕獲太陽能、熱能和動能。所有這些都有局限性，并且環境能量無法連續獲得。可能需要多個單獨的單元或各種不同類型的收割機來滿足整個系統的能源需求。

使用采用單一輸入設計的傳統EH PMIC很難實現這一點。下一代設備提供了連接相同或不同類型的多個收割機的機會，幫助物聯網端點的設計者充分利用環境中可用的能源，從而最大限度地提高經濟性和可持續性。

審核編輯：郭婷