微能量采集（Energy Harvesting），亦被稱作能量采集，在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備基數(shù)龐大的當(dāng)下，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價(jià)值與廣闊的發(fā)展前景。它能夠顯著延長(zhǎng)電池的使用壽命，甚至助力實(shí)現(xiàn)無(wú)電池設(shè)計(jì)方案。正因如此，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，能量收集成為新興應(yīng)用的主要推動(dòng)技術(shù)之一，引領(lǐng)著行業(yè)的未來(lái)發(fā)展方向。

與其它領(lǐng)域不同，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的微能量采集技術(shù)對(duì)方案體積有著更為嚴(yán)苛的要求。在具體設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)將MCU與專用能量收集IC相結(jié)合，再搭配低功耗、高精度的電源管理IC，以此實(shí)現(xiàn)完整的功能。

微能量采集實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)充電

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用主要依靠有線電源和電池供電，然而這種方式在部署后存在維護(hù)困難和壽命受限等問(wèn)題，制約了物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。為達(dá)成設(shè)備高效維護(hù)、降低運(yùn)營(yíng)成本壓力以及減少?gòu)U舊電池對(duì)環(huán)境造成的污染等目標(biāo)，越來(lái)越多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開始采用能量收集解決方案。

微能量采集技術(shù)的最終愿景是，讓物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用無(wú)需布線、無(wú)需更換電池，就能在其生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)永久續(xù)航。

從能量類型來(lái)講，物聯(lián)網(wǎng)能量收集方案的能量來(lái)源主要有光能、射頻（RF）能量、溫差能量（TEG）和機(jī)械能等。電源管理IC會(huì)將這些能量高效地轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓電壓，或者為電池和超級(jí)電容器等存儲(chǔ)元件充電，這便是能量收集技術(shù)的基本工作原理。

在持續(xù)創(chuàng)新的推動(dòng)下，目前能量收集技術(shù)已在物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線傳感器、工業(yè)設(shè)備、樓宇自動(dòng)化、智能電網(wǎng)、農(nóng)業(yè)、可穿戴設(shè)備等眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用。不過(guò)，由于能量收集技術(shù)是從自然環(huán)境中獲取能量，所以存在發(fā)電效率低、不穩(wěn)定等問(wèn)題。因此，目前能量收集技術(shù)大多仍需與電池系統(tǒng)搭配使用。

對(duì)于光能這種發(fā)展相對(duì)成熟的應(yīng)用，能量收集技術(shù)主要與二次電池配合使用，系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)包括收集、調(diào)節(jié)和儲(chǔ)存三部分。能量收集器從能量源捕獲能量并輸出電能，隨后通過(guò)電源管理IC調(diào)節(jié)輸入電壓以滿足負(fù)載要求，最后這些能量被儲(chǔ)存在二次電池中。

在這個(gè)典型結(jié)構(gòu)里，中間的電源管理IC起著承上啟下的關(guān)鍵作用，將能量收集器與儲(chǔ)能電池連接起來(lái)。同時(shí)，電源管理IC的性能優(yōu)劣，也決定了系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換和收集效率的高低。

MF9006是一款具備電量管理、充放電管理、儲(chǔ)能器件管理等多種功能的微光收集管理充電芯片。該芯片在低至400mV電壓和15μW功率的能量輸入場(chǎng)景下就能實(shí)現(xiàn)冷啟動(dòng)。啟動(dòng)后，它可從太陽(yáng)能電池板等光量轉(zhuǎn)換裝置獲取直流電，為可充電電池或超級(jí)電容器等儲(chǔ)能元件充電，并能通過(guò)兩個(gè)LDO穩(wěn)壓器為不同負(fù)載提供穩(wěn)定的工作電壓。其特性如下：

超低功率啟動(dòng)：在400 mV輸入電壓和15μW輸入功率下可實(shí)現(xiàn)冷啟動(dòng)；

升壓調(diào)節(jié)器：可通過(guò)管腳配置MPPT，可設(shè)置為70%、75%、85%或90%；每5秒檢測(cè)一次MPPT開路電壓；啟動(dòng)后輸入電壓范圍為150mV至5V；

低電壓LDO輸出：支持最大負(fù)載電流20mA；輸出電壓可在1.2V/1.8V中選擇；可通過(guò)管腳進(jìn)行開關(guān)控制；

高電壓LDO輸出：支持最大負(fù)載電流80mA；輸出電壓可在1.8V~4.2V之間選擇或調(diào)節(jié)；可通過(guò)管腳進(jìn)行開關(guān)控制；

電池管理：可對(duì)可充電電池或超級(jí)電容器進(jìn)行過(guò)充和過(guò)放保護(hù)參數(shù)配置；電池耗盡時(shí)進(jìn)行提示；LDO可用時(shí)進(jìn)行提示；

電池切換：當(dāng)儲(chǔ)能電池耗盡時(shí)，自動(dòng)切換到一次電池；當(dāng)儲(chǔ)能電池恢復(fù)后，自動(dòng)切換回儲(chǔ)能電池；

超低的關(guān)機(jī)功耗：芯片進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)時(shí)，總功耗僅為580nA。

能量收集為何是物聯(lián)網(wǎng)的未來(lái)？

物聯(lián)網(wǎng)能量收集系統(tǒng)與低功耗物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方案緊密相關(guān)。過(guò)去，為延長(zhǎng)設(shè)備壽命、降低更換電池的頻率，一些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備往往會(huì)限制帶寬和數(shù)據(jù)上傳次數(shù)，其余時(shí)間大多只能處于休眠或低功耗模式。但隨著能量收集技術(shù)逐漸成熟，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能夠根據(jù)環(huán)境變化靈活使用電能，在保障壽命和低運(yùn)營(yíng)成本的前提下，進(jìn)一步豐富了物聯(lián)網(wǎng)方案的功能性。

據(jù)IDTechEx研究，能量收集市場(chǎng)規(guī)模將從2017年的4億美元增長(zhǎng)到2024年的26億美元。在物聯(lián)網(wǎng)方案持續(xù)關(guān)注低功耗的趨勢(shì)下，隨著能量收集的能量源和技術(shù)不斷豐富和成熟，越來(lái)越多的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將受益于“低功耗 + 能量收集”這一技術(shù)組合。


審核編輯 黃宇