【導讀】當前，電子設(shè)備和日常生活工作密不可分，物聯(lián)網(wǎng)市場飛速發(fā)展。長期以來，物聯(lián)網(wǎng)所形成的巨大市場和數(shù)以億計的龐大設(shè)備數(shù)量已經(jīng)逐漸為人們所熟知。
然而，隨著物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展以及應(yīng)用場景的復雜化，一方面可移動的終端設(shè)備正在變得越來越多，有線電源并非長久之計；另一方面，部分邊緣設(shè)備被安置在野外或者不易更換電池的位置，加大了維護電源的難度。邊緣設(shè)備的電池壽命和供電方式正在成為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備生命周期管理的限制因素之一。
圖1
因此，如何為這數(shù)十億設(shè)備供電是行業(yè)目前著力思考的難題并需要尋求出行之有效的解決方案，設(shè)備的供能方式、電池問題正在成為新的挑戰(zhàn)。
為了解決這個問題，一種用于從環(huán)境中收集能量，然后將其轉(zhuǎn)換為電能為負載供電或為電池充電的能量收集技術(shù)應(yīng)運而生。能量收集技術(shù)能夠利用多種能源，包括光、熱、射頻和振動源，轉(zhuǎn)換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(wǎng)或不易更換電池的遙距部署設(shè)備，能量收集解決方案在為電子設(shè)備提供可替代電源或為電池供電邊緣設(shè)備“續(xù)命”方面表現(xiàn)出卓越的效果。
圖2：不同能源的分布功率密度及可收集功率密度情況
目前市場上已有幾種可行的技術(shù)，大部分已經(jīng)開始投入部署應(yīng)用，逐漸受到物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器、工業(yè)設(shè)備、樓宇自動化、智能電網(wǎng)、農(nóng)業(yè)等眾多領(lǐng)域的關(guān)注和采用，以便使產(chǎn)品的整個生命周期得到優(yōu)化。
簡單來說，能源收集技術(shù)是利用環(huán)境中的能量為設(shè)備的電池供電系統(tǒng)“續(xù)命”，同時節(jié)省原本要花費在電池系統(tǒng)上的投入和時間。根據(jù)市場研究公司IDTechEx的數(shù)據(jù)，預計到2022年，全球每年的能量收集收入將超過50億美元，市場前景廣闊。
如何應(yīng)對電池供電新挑戰(zhàn)
從流程來看，能量收集系統(tǒng)基本分為收集、調(diào)節(jié)和儲存幾個步驟。能量采集器從能量源捕獲能量并輸出電能，接下來通過電源管理IC調(diào)節(jié)輸入電壓以適應(yīng)負載要求，或者將電能儲存到存儲設(shè)備中備用。
能量收集技術(shù)遇到的問題是要想將收集到的能量真正派上用場，既需要解決芯片自身低功耗的問題，還要考慮如何大幅提高轉(zhuǎn)換效率。
例如太陽能作為一種非常環(huán)保的能源，但發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率非常低，只有20%左右，導致好不容易收集起來的能量沒有得到較好的利用，白白損耗掉了。
因此，這對能量采集芯片設(shè)計提出了新的要求和挑戰(zhàn)。
同時，如何管理與應(yīng)用微能量也是值得關(guān)注的技術(shù)方向，需要積少成多地把能量收集并管理起來，涉及到能量存儲及減小漏電流的問題。需要有能連續(xù)存儲并漏電流極低的存儲器件，只有漏電流遠遠小于收集的能量，這些采集來的能量才有可能會被用到，用來驅(qū)動一些短暫或脈沖型的負載。
此外，對于那些連續(xù)工作的負載，低功耗和超低功耗器件是其關(guān)鍵。只有這些超低功耗的器件的工作損耗與采集的能量及這些能量的管理達到平衡，能量收集才能真正被廣泛應(yīng)用。
可見，在廣闊的市場前景和應(yīng)用潛力之下，能量收集技術(shù)仍有一些亟待解決的市場瓶頸和技術(shù)挑戰(zhàn)。隨著能量收集市場的不斷擴大，以及當前行業(yè)面臨的諸多技術(shù)痛點的驅(qū)動，很多公司都投入到開發(fā)能量收集芯片中來，也在各自專注的細分領(lǐng)域中開發(fā)出了很多創(chuàng)新技術(shù)，讓能量收集系統(tǒng)變得可行。
ADI ADP5091
以能量收集系統(tǒng)為例，貿(mào)澤電子在售的來自ADI的ADP5091是一款智能集成式能量采集nA級管理解決方案，可高效轉(zhuǎn)換來自光伏電池或熱電發(fā)生器（TEG）的直流電源。該器件可對儲能元件（如可充電鋰離子電池、薄膜電池、超級電容和傳統(tǒng)電容）進行充電，并對小型電子設(shè)備和無電池系統(tǒng)上電。
ADP5091能提供有限采集能量（從16μW到600mW范圍）的高效轉(zhuǎn)換，工作損耗為亞μW級別。利用內(nèi)部冷啟動電路，調(diào)節(jié)器可在低至380mV的輸入電壓下啟動。冷啟動后，調(diào)節(jié)器便可在80mV至3.3V的輸入電壓范圍內(nèi)正常工作。額外的150mA調(diào)節(jié)輸出可通過外部電阻分壓器或VID引腳編程。
圖3：ADP5091典型應(yīng)用電路（圖源：ADI）
通過檢測輸入電壓，控制環(huán)路可將輸入電壓紋波限定在固定范圍內(nèi)，從而保持穩(wěn)定的DC-DC升壓轉(zhuǎn)換。在OCV動態(tài)檢測模式和非檢測模式下，輸入電壓的編程調(diào)節(jié)點允許較大限度地提取采集器的能量?？删幊梯^低工作閾值（MINOP）以在低光照條件下實現(xiàn)升壓關(guān)斷。此外，DIS_SW引腳還能暫時關(guān)斷升壓調(diào)節(jié)器，對RF傳輸友好。
對于如何提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率，ADP5091芯片特別設(shè)計了MPPT控制功能來保證太陽能電池板能一直工作在最大功率點上，只需要手表盤大小的太陽能電池板即可工作。
該產(chǎn)品方案在故障指示器中可以進行實例應(yīng)用。在新興的電力配電網(wǎng)自動化熱潮中，架空型故障指示器是一個懸掛在10KV電力線上，沒有任何外部供電裝置并能長時間工作的傳感設(shè)備。當用電線路故障發(fā)生時，它會檢測并發(fā)送警報，使得線路工作人員能夠在短時間內(nèi)檢修故障設(shè)備。過去因電力公司的預算和資源有限，面對高昂的累計采購成本和大量的經(jīng)常性維護工作，往往無法在龐大的電力基礎(chǔ)設(shè)施中部署更多故障指示器。
因此，在國家電網(wǎng)的新要求中，電流互感器（CT）取電作為了主要的供電方式，并加入了更多的功能要求，智能能量采集/管理和超低功耗成為了客戶設(shè)計中的關(guān)鍵。對此，采用ADP5091芯片的能源管理方案可以實現(xiàn)對電流互感器的能量采集，對超級電容的充電管理并支持最大功率點跟蹤（MPPT）用來提高充電效率，實現(xiàn)對后續(xù)電路的穩(wěn)定電源提供及后備電池的管理，并可以支持多種能量源的采集。通過優(yōu)化的最大功率點跟蹤實現(xiàn)了超過90％的功率轉(zhuǎn)換效率。
ADI高度集成的解決方案對于緊湊型布局極其有利，可減少設(shè)計復雜性，很好地實現(xiàn)了用一顆芯片管理所有的能量采集、充電及電源管理，能夠高效采集電能，而且只需更少的維護，并支持系統(tǒng)更快啟動、功耗更低和運行更平穩(wěn)，能非常顯著地節(jié)約運營成本。
除了上述提到的應(yīng)用，采用能量采集芯片ADP5091的能源管理方案還適用于光伏電池能量采集、TEG能量采集、工業(yè)監(jiān)控、自供電式無線傳感器設(shè)備以及具有能量采集功能的便攜式和可穿戴式設(shè)備。
邊緣設(shè)備電池供電的優(yōu)化策略
在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的小型太陽能供電無線傳感器應(yīng)用中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種由大量傳感器節(jié)點構(gòu)成的特殊網(wǎng)絡(luò)，用于數(shù)據(jù)的采集和傳輸。然而，由于各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計屬性，布置在野外的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的供電問題極大地束縛了該系統(tǒng)的生命周期，如何在供電受限的情況下有效延長網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的電池工作壽命，顯得尤為關(guān)鍵。
在該應(yīng)用中，太陽能供電能解決野外長時間無人監(jiān)護的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的供電問題，還具有供電持久，節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點，具有良好的應(yīng)用前景。但是收集完能量之后，如何調(diào)節(jié)所收集的能量并保持連接負載的穩(wěn)定電源也是需要考慮的問題。
對此，英飛凌旗下Cypress的能量收集電源管理IC S6AE101A能夠解決這一難題。
Cypress S6AE101A
S6AE101A專為超低功耗部署而設(shè)計，啟動功率為1.2μW，消耗電流低至250nA，設(shè)計用于配合尺寸小至1cm2的太陽能電池使用。通過使用該芯片，在大約100lx的低照度條件下，緊湊型太陽能電池可以提供足夠的功率供物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備運行。
圖4：S6AE101A芯片框圖（圖源：貿(mào)澤電子）
同時，該芯片采用內(nèi)置的開關(guān)控制可將產(chǎn)生的電能存儲在輸出電容器中。如果太陽能電池的電力不足以滿足所連接的負載需求，電池儲備的電力還可以進行補充。
貿(mào)澤電子在售的S6SAE101A太陽能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備套件為開發(fā)具有BLE無線連接的太陽能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供了一個易于使用的平臺。受益于S6AE101A的低功耗特性，該開發(fā)套件成為了太陽能或光能供電的能量收集系統(tǒng)（EHS）的理想選擇。此外，S6AE101A還支持使用太陽能電池能量收集裝置（EHD）和紐扣電池的混合EHS，以及帶有外部二極管電橋的可選振動EHD，為各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的使用提供了高度靈活性。
圖5：S6SAE101A太陽能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備套件
（圖源：貿(mào)澤電子）
參數(shù)特性方面，開發(fā)套件包含了能量收集主板、BLE-USB橋接器、太陽能組件（松下AM-1801）、兩條跨接線、220μF電容和10Ω電阻、USB接口和Mini-B電纜，以及快速入門指南，幫助工程師和用戶應(yīng)對來自邊緣設(shè)備供電問題的挑戰(zhàn)。
從環(huán)境中獲取的能量可以提供持續(xù)的電力來源，適用于許多應(yīng)用。然而，用于提取能量的可用能量存儲裝置和換能器的輸出可能低于設(shè)備的參數(shù)要求。因此，在構(gòu)建高效能量采集設(shè)計時，工程師可以根據(jù)受電設(shè)備的要求，利用轉(zhuǎn)換器來調(diào)整電壓電平。
TI TPS61099x
貿(mào)澤電子在售的來自Texas Instruments的TPS61099x就是一款具有1μA超低靜態(tài)電流的同步升壓轉(zhuǎn)換器。該器件專為由堿性電池、鎳氫充電電池、鋰錳電池或鋰離子充電電池供電的產(chǎn)品而設(shè)計，能夠在輕載條件下高效運行，這對延長電池使用壽命至關(guān)重要。
圖6：TPS61099x升壓轉(zhuǎn)換器（圖源：TI）
特性方面，TPS61099x同步升壓轉(zhuǎn)換器的工作輸入電壓范圍為0.7V至5.5V，可調(diào)輸出電壓范圍為1.8V至5.5V，能夠提供固定輸出電壓版本。TPS61099x系列升壓轉(zhuǎn)換器采用遲滯控制拓撲，能夠以小靜態(tài)電流實現(xiàn)高效率，在輕載條件下僅消耗1μA靜態(tài)電流，在10μA負載下可實現(xiàn)高達75%的效率（固定輸出電壓版本）。此外，該器件在3.3V至5V轉(zhuǎn)換過程中支持高達300mA的輸出電流，在200mA負載條件下，效率高達93%。
在電池供電系統(tǒng)應(yīng)用中，TPS61099x還能為不同應(yīng)用提供降壓模式和直通操作。此外，TPS61099x在禁用狀態(tài)下能夠?qū)⒇撦d與輸入電源斷開，真正實現(xiàn)關(guān)斷，從而降低電流消耗。
同時，貿(mào)澤電子在售的TPS61099EVM-023和TPS61099EVM-768升壓轉(zhuǎn)換器評估模塊，能夠用來配置和設(shè)計用于評估TPS61099x同步升壓轉(zhuǎn)換器的特性指標，有助于設(shè)計人員評估TPS61099x轉(zhuǎn)換器的運行情況和性能，讓用戶能夠借助包括升壓轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的能量收集系統(tǒng)來應(yīng)對設(shè)備電池供電部分的痛點和挑戰(zhàn)。
綜上所述，通過貿(mào)澤電子在售的多種類型的能量收集系統(tǒng)產(chǎn)品和開發(fā)套件，為物聯(lián)網(wǎng)和其他設(shè)備的電池供電問題提供了多種解決方案，可選的能量收集技術(shù)種類很多。用戶可以根據(jù)所處的環(huán)境和具體應(yīng)用，結(jié)合預算、目標等維度，根據(jù)條件選擇合適的解決方案。
能量收集技術(shù)加速物聯(lián)網(wǎng)快速增長
物聯(lián)網(wǎng)的普及帶來一波邊緣節(jié)點設(shè)備和應(yīng)用的爆發(fā)，讓業(yè)界越來越多的認識到在邊緣節(jié)點收集和處理信息的作用和價值。而值得注意的是，部分電池供電設(shè)備被安置在野外或者不易更換電池的位置，要設(shè)備長期穩(wěn)定工作，關(guān)鍵在于能量收集和電源管理技術(shù)的優(yōu)化。
當前，隨著能量收集技術(shù)在多領(lǐng)域展現(xiàn)出的光明前景，研究人員正在努力探索新的可能應(yīng)用。未來，我們將會看到更多為能量收集而設(shè)計的電源管理產(chǎn)品以及低功耗微控制器，從而推動物聯(lián)網(wǎng)和邊緣設(shè)備市場的向前發(fā)展。
在這個過程中，貿(mào)澤電子銷售的半導體產(chǎn)品和評估工具將極大地促進能量收集技術(shù)在各應(yīng)用領(lǐng)域的研發(fā)和部署，為電池供電邊緣設(shè)備“續(xù)命”持續(xù)助力。
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