能量收集技術為物聯網設備供電的發展現狀與未來趨勢

作者：賽普拉斯半導體公司 Arijit Karmakar 和 Ronak Desai

近年來，物聯網發展吸引了大量投資，尤其是在機對機（M2M）接口技術和大數據處理領域。物聯網指的不僅是通過互聯網連接個人電腦和智能手機，還包括數十億“物體”與設備之間的連接。然而，如何為這數十億設備供電是設計工程師目前著力思考的難題并需要尋求出行之有效的解決方案。盡管傳統電池電源能夠解決供電問題，但必須經過采購、維護和后期處理程序。而且，當設備安裝在偏遠位置時，更加大了維護電源的難度。

作為替代方案，能量收集技術能夠為遙距物聯網設備和傳感器直接供電，并帶來巨大效能。目前市場上已有幾種可行的技術，大部分已經開始投入部署應用。其中包括能量收集PMIC 產品和大量低功耗的微控制器，能夠滿足遙距物聯網設備的供電需求，從而推動物聯網增長。

有了能量收集解決方案，電子系統就能夠在沒有傳統電源的情況下獨立運作。然而，無論這種方案多么的方便和靈活，能量收集技術還是具有一定的多面性和局限性的。這是一個可行的解決方案，但絕不是一個簡單的方案，必須從功率分配的角度精心挑選 PMIC 產品和能量儲存設備。此外，能量收集效率也是能量收集設備設計的重要因素。

本文將介紹能量收集、能量儲存和電源管理解決方案的優點、構建以及發展趨勢。

能量收集是什么？

能量收集指的是收集環境中容易獲得的少量非傳統能量并將之轉化為電能的過程。獲取的電量可直接使用或儲存下來留作未來使用。對于無法使用本地電網的遙距部署設備，能量收集解決方案在為各類電子設備提供可替代電源方面表現出卓越的效果。

所收集的能量可來自于無線電能量（RF 源）、壓電元件的振動動能、壓力能或者光電電池的光能。接著將收集到的能量轉化為電能，并儲存在耐用儲存電池中，如電容器。能量收集系統通常包括用于產生或獲取能量的電路，以及配有用于電源管理和保護的附加電路的存儲裝置。

能量收集技術應用不僅限于延長物聯網設備的電池壽命，還可以用作工業、商業和醫學應用的替換電源，如可穿戴電子產品、可植入設備、遠程腐蝕監測和結構檢測等。

為什么能量收集對物聯網設備來說如此重要？

物聯網發展已經成為最具潛力、盈利最豐厚的市場機遇，預測到 2020 年，將會有超過 300 億臺物聯網設備。在不久的將來，幾乎每一臺設備，從傳感器、儀器、汽車、可穿戴電子產品以及溫度調節器、冰箱等嵌入式系統都將會連接到互聯網。

理想狀態下，這數十億件小型便攜的設備將連接至無線網絡并擁有較長的使用壽命。電池似乎是一個不錯的選擇，但要在小型裝置內安裝電池，通常都不太可行。此外，電池維護和更換的成本也不低。考慮到我們需要充足的電源，能量采集將會是解決電池問題的可行方法。實際上，能量收集能夠支撐電子系統依靠環境電源運作幾年。

能量收集的基本構建模塊

能量收集系統的基本構建模塊通常包括：

換能器和轉換電路：換能器從不同的電源中獲取非傳統能量，并轉化為電能。典型的換能器示例包括：光電電池轉化光能、熱電裝置轉化熱能、壓電元件轉化振動動能等等。

能量儲存設備：例如電池和超級電容器，可用于儲存轉化生成的電能。

電源管理電路：電源管理電路由一個穩壓器組成，根據系統的要求進行電源管理。

圖1：能量收集系統的基本構建模塊

現今的發展趨勢與技術

如前所述，我們可以從各種不同的非傳統能量中收集電能，如太陽光、射頻信號和振動動能等。每一種類型的能量收集都需要電源轉換電路、能量儲存設備和 PMIC 產品。

收集太陽能：小型太陽能電池含有光電電池，能夠將光能轉化成電能。然而，對室內應用來說，環境光通常不是非常強烈，強度一般約為 10 μW/cm2。室內能量收集系統收集的能量受到太陽能模塊尺寸大小、環境光強度及光譜組成的限制。通常來說，太陽能電池收集的電能可以用于電池或超級電容器的充電，從而為設備提供穩定的電源。如今，此類太陽能電池已廣泛應用于消費者應用和工業應用中，如玩具、手表、計算器、路燈、移動電源和衛星。

收集動能：壓電換能器受到振動和移動時能夠產生電能。因此，設備能夠將振動產生的動能轉化為 AC 電壓，AC 電壓經過調整后，向系統提供電力。有多種不同的方法可以收集來自動能的能量。例如，用戶按下遙控器按鈕時產生的能量可以收集起來用于發送一個低耗能的無線電信號。同樣地，當有人走過時，安裝在地磚底下的壓電換能器也能產生電能，可以為小型顯示屏或緊急燈供電。

表1：比較不同能量收集技術的性能參數

收集熱能：熱電能收集器的工作原理基于塞貝克（Seebeck）效應，根據兩個不同導體接合處的溫度差而產生電壓。利用由系統內溫度變化而產生的電能，能夠運作供電好幾年，尤其是低功耗電路設計的系統。這種技術在回收熱量損失方面很有用。最新的技術發展將會利用人體熱量為穿戴設備的健康傳感器供電。

開發工具

由于能量收集技術產生的能量很少，因此要保持系統中能量生產和能量消耗的平衡是非常重要的。設計工程師需要仔細評估能量需求并選擇相應的組件。根據不同的操作模式，如激活模式、睡眠模式等，物聯網設備的能量需求也會有所不同。設計過程中需要進行試驗或者會發生錯誤，有時候還需要進行詳細的實驗。因此，使用開發套件能夠幫助開發者進行早期實驗并完成系統的初始原型。

如今，投資物聯網技術的行業已經引用了多種物聯網開發套件。使用行業標準工具以后，可以準確地計算、評估能量生成量和消耗量。例如，賽普拉斯/Spansion 推出了基于網絡的 Easy DesignSim 設計工具，讓所有用戶能夠輕松地計算并調查能量收集量。

圖2：能量收集入門套件，包含了針對最小能量消耗進行了優化的原始無線協議，以及帶 ARM Coretex M3 內核的 FM3 微控制器。

賽普拉斯的能量收集入門套件利用能量收集技術，簡化并加快了無線傳感器模組的開發進程。這款低功耗的無線協議能夠替代 ZigBee 或藍牙等低功耗無線協議。套件中的微控制器是賽普拉斯基于Spansion ARM Cortex M3 內核的FM3 微控制器，能夠根據不同的 ARM 開發進行定制。

圖3：利用能量收集技術驅動低功耗藍牙信標的入門套件能夠與太陽能電池、壓電元件或其他傳統配件配套使用

另一個能量收集入門套件可以幫助開發者利用能量收集技術建立低功耗藍牙信標。可以使用太陽能電池或壓電元件進行能量采集。此外，該套件可使用 USB 電源供電，并配有 BLE 低功耗藍牙轉換的無線模組。

圖4 物聯網開發入門套件可用于能量收集

技術挑戰

在設計物聯網設備能量收集系統的過程中，開發者面臨的最大技術挑戰和操作挑戰就是要找到一個可行的能量儲存解決方案。最初的產品設計是為了從非充電電池中獲得的電力，因其成本低，而可用性和便利性高。然而，非充電電池的能量資源是有限的，并且需要定期更換。為了解決這個問題，制造商開始使用可充電電池作為主要的能量儲存。

如今，鎳鎘電池和鋰電池等可充電電池已應用于物聯網設備中。盡管這類電池的使用非常方便，但擁有極高的放電率，每塊電池只可以充電放電大概 500 次，限制了電池在物聯網應用中的長期應用。因此，尋找改進電池技術的解決方案，是設計工程師如今面臨的關鍵挑戰。

除此之外，設計師還需要克服提供能量收集設備效率的主要缺點。用于將非傳統環境能量轉換成電能的換能器的轉換效率通常限制在10％。另外，用于儲存和轉化能量的電路會有能量損耗。加上所有損耗，產品只能獲得能量來源約 1％的能量。因此，設計師需要進行非常仔細的分析和建模，從而通過能量收集和電路的功率需求來平衡可用能量。

本文簡要介紹了能量收集、能量儲存和電源管理解決方案的最新技術和發展趨勢。有了能量收集 PMIC 產品，嵌入式電子設備的開發似乎變得更加簡單了。在電源管理方面，有越來越多可行的供電技術，能夠為家用電器、穿戴設備及電子產品等各種物聯網設備供電。在未來幾年里，預測最具發展潛力的技術是為物聯網設備供電的無線電力傳輸、熱電技術和太陽能收集技術。以后，我們將會看到更多為能量收集而設計的 PMIC 產品，以及低功耗微控制器，從而推動物聯網的前進發展。技術進步將貫穿于消費者、工業和醫療市場等垂直市場中，創造出超乎想象的新技術應用。