人們常提議利用環境能量采集技術為遠程物聯網設備的電池充電，但這種技術尚未普及。本博客探討了導致這一情況的原因，并介紹了Nexperia（安世半導體）的創新型電源管理集成電路(PMIC)，該集成電路將從根本上提高能量采集的可行性，且環境效益顯著。

對于許多遠程物聯網設備而言

更換電池無甚意義

包括物聯網環境傳感器、智能標簽和電子貨架標簽在內，許多便攜式或遠程設備的用例最終都有一項成本必須由終端客戶承擔，主要原因是電池更換。

在擁有成百上千個傳感器或 ESL 的大型系統中，適當更換、回收或處理耗盡的電池需要耗費大量的人力和物力。這對此類技術的采用產生了負面影響。因此，為了盡量減少更換電池的次數，用戶別無選擇，只能接受這些設備提供的較低性能水平。

例如，工廠或智能樓宇運營商可能會對傳感器進行編程，使其每小時只提供一次環境溫度讀數，而不是更有規律地提供讀數，從而最大限度地延長設備在睡眠模式下的時間，幫助最大限度地減少對電池的消耗。然而，在其他便攜式應用中，犧牲性能不被接受，例如電視遙控器，在其使用期限內不可避免地需要多次更換電池。

此外，電池處置不當還會對環境造成嚴重影響。例如，歐盟歐洲統計局的數據（廢物統計 - 回收的電池和蓄電池，2023年1月）顯示，2020 年售出的便攜式電池和蓄電池約為 22.9 萬噸，而回收利用的僅有約 9.9 萬噸。這些設備會產生大量有害廢物，通常被丟棄在有害垃圾填埋場，對環境造成威脅。

由于固有缺陷

能量收集裝置尚無法取得成功

通過能量采集技術收集環境能量并將其用于電子設備供電有望攻克這些限制。能量采集量大于消耗量的應用可以實現完全的能量自主，但到目前為止，有兩個主要因素限制了其應用。首先，現有產品尺寸較大，材料成本高。這些產品使用 DC-DC 轉換器，附帶一個體積龐大且價格昂貴的電感器，然而，這樣的設計存在問題，因為許多物聯網設備的外形尺寸無法容納電感式開關轉換器。其次，由于環境能量的可變性（如光照強度的波動），這些解決方案需要復雜的定制才能達到最佳功率轉換效率，也就意味著應用并非易事。

Nexperia的能量采集 PMIC

可將板面積縮小達 20 倍

圖 1 顯示的是 Nexperia 的 NEH2000BY 高性能 PMIC，它可以利用從環境中采集的能量為電池充電。該 PMIC 專門為光伏(PV)采集器進行了優化，但可以與符合其輸入電壓范圍的任何其他采集器集成。針對特定應用，NEH2000BY 會采用自適應算法，以優化將采集的能量轉移至電池的方式。這樣，設計人員可以在不影響性能的前提下，開發出在使用壽命內無需更換電池的物聯網設備。

這種獨特設計的另一個顯著優點在于，它僅使用了三個微小的外部電容器，而沒有使用電感器。這大大簡化了 PCB 設計，同時顯著減小了板尺寸和 BOM 總成本——總組裝面積僅為 12mm2。此外，這使得能量采集設計更加簡單明了，尺寸較現有解決方案縮小 20 倍，而且無需針對個別應用進行手動優化。

圖1. PV 能量采集應用中的 NEH2000BY PMIC

最大功率點跟蹤算法

適合各種應用

為更大限度地提高轉換效率，能量采集系統中使用的功率轉換必須能夠適應環境能量的波動。這意味著，日常采集的能量主要取決于系統找到最佳功率轉換配置的速度。NEH2000BY 可自動運行，無需預先編程，并會執行最大功率點跟蹤(MPPT)，以實現高達 80% 的最佳平均轉換效率。這種獨特的 MPPT 算法不僅速度快，而且精度高，讓PMIC能夠在 1 秒鐘內適應環境變化。這比目前可用的任何解決方案都快得多，并可以大幅提高一天內采集到的能量，從而大大擴展了其應用領域。

環境效益顯著

NEH2000BY 能夠在功耗低至幾微瓦的應用（包括無線物聯網節點、可穿戴智能標簽和電子貨架標簽）中，從各種環境源采集能量，以幫助節約成本。此外，那些應用將不再需要更換電池或者無需電池，從而可顯著減少有害廢物的產生，帶來巨大的環境效益。NEH2000BY 采用 16 引腳 3 mm × 3 mm QFN 封裝，工作溫度范圍為 -40℃ 至 +85℃，它有望徹底改變遠程物聯網設備的能量采集。

審核編輯：劉清