效率在本質上至關重要。通過盡可能多地使用它來最大化額外資源的支出可以提高性能，可以最小化成本并減少浪費。能量收集提供了一種使用環境能量為電氣設備供電的方法。對于包含電池的設備，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。這些設備存在于可穿戴技術、無線傳感器和其他需要延長電池壽命的邊緣應用中。回顧能量收集在實踐中的工作原理有助于了解能量收集如何支持 ULP MCU 的價值。

能量收集的工作原理

原則上，能量收集是一個簡單的概念。要解決的問題是主要能源（電池、燃料、電網）是有限的。此外，將此源功率轉換為可用能量并非 100% 有效，盡管有永久的環境能量可供捕獲。這就是為什么風力渦輪機是一種可再生的大型能源。渦輪機從風中接收勢能，使葉片圍繞轉子旋轉，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。

可穿戴設備和無線傳感器等較小規模的技術可以收集動能、熱能或環境電磁輻射能。這些形式中的每一種都使用不同的機制將源功率轉換為可用能量。每個來源的效用和實用性都是一個重要的考慮因素，因為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應用很有用，因為傳感器的設計和放置利用了兩種形式的能源。在車輛上，靠近道路的傳感器可以接受來自柏油路的輻射熱。相比之下，其他人可以利用來自高振動位置的運動能量，例如靠近車輪或發動機部件。對于超低功耗 MCU，從人類用戶的運動中回收的動能是目前最實用的能量轉換形式。

超低功耗 MCU 的機遇

由于 ULP MCU 的主要應用是可穿戴技術，因此以最低的系統功耗處理這些邊緣數據至關重要。能量收集減少了對可穿戴技術電池的能量需求，電池含有有限的能量，需要在電量耗盡后定期充電或更換。電池在處置方面也存在挑戰，因為電池組成材料不易回收。ULP MCU 能量收集器通過壓電、電磁或摩擦發電機捕獲動能（機械）。

壓電式

“壓電”一詞源自希臘語，意為擠壓或擠壓。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的貢獻。一些估計表明，平均而言，動態運動可為 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，通過有意大小的磁鐵和氣隙設計將機械振動能轉換為電能。這種方法為系統貢獻了大約0.3mW的收集功率。

摩擦納米發電機

ULP MCU 的最終轉換介質是摩擦納米發電機 (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）產生的能量。這種方法提供的補充功率比壓電低 10 倍，即大約1-1.5mW。

帶走

可穿戴技術和無線傳感器網絡，超低功耗 MCU 的日常應用，消耗的功率大約為數十毫瓦。鋰離子電池是在合適的時間內提供電力的絕佳選擇。然而，寒冷天氣的敏感性和用戶對延長電池壽命的需求推動了當前技術的極限。通過壓電、電磁輻射和摩擦電源收集機械能，可提供高達 10% 的輔助電池壽命。優化電阻和電流負載技術，對該技術的持續改進最終可能會消除 ULP MCU 設備中對電池的需求。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，消費者都有望獲勝。

審核編輯黃昊宇