隨著企業(yè)追求數(shù)字化轉(zhuǎn)型，以及各種形式的智能生活成為提高生活質(zhì)量和可持續(xù)性的關(guān)鍵，物聯(lián)網(wǎng)部署持續(xù)取得進(jìn)展。

物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)通常是傳感器，或者較少見(jiàn)的是執(zhí)行器，它們通過(guò)無(wú)線方式連接到聚合設(shè)備或互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。它們通常大量部署，在智能城市、智能工廠或智能農(nóng)業(yè)等場(chǎng)景中，分散在廣闊的地理區(qū)域。進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)(例如更換放電的原電池)的成本通常高得令人望而卻步。此外，廢棄的電池對(duì)環(huán)境造成的負(fù)擔(dān)越來(lái)越令人無(wú)法接受。

在設(shè)計(jì)端點(diǎn)時(shí)，工程師可以通過(guò)安排足夠的能量供應(yīng)來(lái)維持設(shè)備的預(yù)期壽命來(lái)避免更換電池的需要。這可能是幾年的時(shí)間。由于大小的限制，硬幣細(xì)胞的形狀因子通常是可取的。如果儲(chǔ)存的能量沒(méi)有達(dá)到系統(tǒng)要求，可以選擇安裝一個(gè)更大的電池。

另一種選擇是重新設(shè)計(jì)電路，以減少整個(gè)系統(tǒng)的能源需求低于可用的電池存儲(chǔ)。任何一種方法，或兩者的結(jié)合，都可能無(wú)法達(dá)到目標(biāo)。

微能量收集，以微瓦或毫瓦為單位，可以從周?chē)h(huán)境中捕獲有用且可能取之不盡的電能。這可以補(bǔ)充或替代原電池，具體取決于應(yīng)用和可用的環(huán)境能量。收集和轉(zhuǎn)換的能量可能可以直接為電路供電。另一方面，將能量存儲(chǔ)在緩沖器中直到需要時(shí)才使用可能是一種更合適的方法。

無(wú)論如何，都需要一個(gè)合適的環(huán)境能源，能夠滿(mǎn)足應(yīng)用的需求。在物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)的各個(gè)子系統(tǒng)中，無(wú)線電對(duì)能源的需求最大。分析這里的需求，為能量收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和集成提供參考，可能會(huì)很有啟發(fā)。

無(wú)線電子系統(tǒng)功耗

選擇最合適的無(wú)線技術(shù)以盡可能低的功耗提供所需的數(shù)據(jù)速率和通信范圍至關(guān)重要。

如果傳感器距離聚合器或網(wǎng)關(guān)(例如連接到互聯(lián)網(wǎng)或通過(guò)本地電信交換機(jī)的集線器或路由器)只有很短的距離，則藍(lán)牙、Zigbee 或 Wi-Fi 等技術(shù)可能比較合適，具體取決于所需的數(shù)據(jù)速率以及成本限制。在其他情況下，例如端點(diǎn)分布在地理上較大的區(qū)域時(shí)，可能需要 LPWAN 或蜂窩連接。

要充分了解對(duì)系統(tǒng)整體能源需求的影響，還需要考慮占空比。智能電表等應(yīng)用涉及每天或每隔幾天發(fā)送幾次小數(shù)據(jù)包。其他應(yīng)用，如安全攝像頭，可能需要頻繁或連續(xù)發(fā)送大量數(shù)據(jù)。根據(jù)應(yīng)用，可以通過(guò)在傳輸之前在系統(tǒng)內(nèi)本地過(guò)濾數(shù)據(jù)來(lái)降低占空比;攝像頭可以安裝運(yùn)動(dòng)傳感器，僅在檢測(cè)到活動(dòng)時(shí)開(kāi)始記錄，或者嵌入式圖像處理可以丟棄不感興趣的數(shù)據(jù)。當(dāng)然，必須將過(guò)濾數(shù)據(jù)所需的能量與通過(guò)降低占空比節(jié)省的能量進(jìn)行比較，以確保凈收益。

環(huán)境能源

了解了無(wú)線子系統(tǒng)所需的能量和功率后，就可以評(píng)估合適的環(huán)境源和微能量收集技術(shù)。

適合為這些系統(tǒng)供電的主要微型能量收集技術(shù)是太陽(yáng)能電池陣列、由振動(dòng)激活的壓電或靜電轉(zhuǎn)換器，以及將溫度梯度轉(zhuǎn)換為電動(dòng)勢(shì) (EMF) 的珀?duì)柼O(shè)備。通過(guò)貼片或線圈天線捕獲的射頻能量源往往不適合除最節(jié)儉的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之外的所有應(yīng)用。

面積為 35-40cm 2的太陽(yáng)能電池可以產(chǎn)生約 0.5 瓦的電能，假設(shè)效率約為 20%。這些電池的批量?jī)r(jià)格不到 1 美元，而壓電收集器通常至少要貴一個(gè)數(shù)量級(jí)，而且產(chǎn)生的能量更少。眾所周知，太陽(yáng)能電池在室內(nèi)使用時(shí)效率較低。然而，最近推出了一些室內(nèi)太陽(yáng)能收集器，聲稱(chēng)可以為低功率無(wú)線電提供足夠的輸出。

總結(jié)

利用這些技術(shù)進(jìn)步，微型能量收集可被視為減少或消除物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)電池使用量的解決方案。由于能量源本身通常不規(guī)則，且在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要傳輸或接收數(shù)據(jù)時(shí)不一定可用，因此通常需要能量緩沖器或存儲(chǔ)設(shè)備。這可以是可充電電池或電容器(或超級(jí)電容器)。需要能量收集電源管理 IC (EH PMIC) 來(lái)處理來(lái)自收集子系統(tǒng)的能量、管理提供給能量緩沖器的電荷并在需要時(shí)為負(fù)載供電。各種能量收集技術(shù)具有不同的電氣特性。熱電收集器在低電壓下產(chǎn)生連續(xù)直流電流，因此阻抗低。雖然太陽(yáng)能電池也產(chǎn)生低直流電壓，電流，以及阻抗，隨著光照水平而變化。

目前市場(chǎng)上的典型 EH PMICS 具有固定的架構(gòu)和輸入電壓范圍，設(shè)計(jì)用于與特定類(lèi)型的收集器配合使用。如果單靠一個(gè)能源無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)要求，則無(wú)法使用替代收集器來(lái)捕獲額外的環(huán)境能量。因此，如果需要多個(gè)能源，則每個(gè)能源都需要一個(gè)專(zhuān)用的 EH PMIC。這會(huì)增加系統(tǒng)成本、尺寸和功耗，也會(huì)使設(shè)計(jì)復(fù)雜化。

一些 EH PMIC 可以使用外部電路進(jìn)行修改，以調(diào)節(jié)能量收集器的輸出。但是，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，Trameto 的 EH PMIC(稱(chēng)為 OptiJoule)提供可自主適應(yīng)各種類(lèi)型的連接收集器的輸入，并最大化傳輸?shù)骄彌_器的功率，而無(wú)需外部電路。有單輸入版本或最多四輸入版本。多輸入版本具有連接相似或不同類(lèi)型的收集器的靈活性。因此，使用 OptiJoule 設(shè)備，可以擴(kuò)展微能量收集容量，將單個(gè) PMIC 用于多種應(yīng)用，甚至可以在需要時(shí)將能量收集技術(shù)的選擇推遲到產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的后期。

結(jié)論

通過(guò)優(yōu)化無(wú)線電協(xié)議、低能耗微處理器設(shè)計(jì)、低功耗傳感器以及不斷提高的微能量收集效率，環(huán)境能量已成為一種可行的來(lái)源，有助于減少或消除對(duì)電池的依賴(lài)，并延長(zhǎng)現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)的使用壽命。EH PMIC 的最新發(fā)展在集成所選微能量收集技術(shù)時(shí)，可以更靈活地管理尺寸、成本和復(fù)雜性。