能量收集技術會促進物聯網的快速增長嗎？

隨著智能的理念迅速應用到我們周圍的許多“事物”，從燈泡、家用電器和汽車，到醫療傳感器、工業設備，甚至整個城市，物聯網（IoT）顯然都正在其中快速應用。根據Gartner的分析數據，到2020年，物聯網節點的數量預計將達到204億個，相當于目前地球上人口數量的許多倍。

然而，物聯網的發展并非一帆風順。其中一個挑戰是讓這些數十億的物聯網設備每周7天，每天24小時全天候工作，而不管它們處的具體位置和何種應用。定期更換電池肯定要增大成本和人力資源投入。此外，這些設備需要增加的能源對環境的影響也需要認真考慮。

目前出現的一個新興解決方案可以應對這些挑戰，這種新技術即是能量收集。利用這項技術，可以從周圍環境中捕獲能量并轉化為電能，能量的來源可能包括多種可能途徑（如環境光、振動、熱量或射頻等），這些能量如果不加以利用也將白白浪費掉。

在物聯網環境中，能量收集的目標不是產生大量的電能，而是在任何能找到少許能量的地方加以利用。以環境光為例，根據光源是在室外的還是在室內，收集的功率通常在10μW/cm2到10mW/cm2之間。運動產生的能量約為4μw/cm2至100μw/cm2，同樣取決于能量來源（即運動是源于人還是機器）。類似，可從人體中提取的熱能約為30μw/cm2，而從RF中提取的能量約為0.1μW/cm2。

簡單來說，能源收集技術將能夠使企業真正利用物聯網中的能量，同時可節省原本要花費在電池上的投入和時間。根據市場研究公司IDTechEx的數據，到2022年，全球每年的能量收集收入將超過50億美元。考慮到這項技術的未來增長趨勢，它對于行業有哪些影響呢？

能量收集系統的構建模塊

從本質上講，能量收集分三個步驟：收集、調節和儲存。傳感器從能量源（如環境光、熱、振動、壓力、射頻等）捕獲能量并輸出電能。接下來，電源管理IC調節輸入電壓以適應負載要求，然后將能量輸送給存儲設備（通常是超級電容器），該存儲設備在低功率、間歇性主能源、高功率和連續負載之間起緩沖作用。

根據主能源的不同，能量采集系統使用不同類型的傳感器。例如，光伏能源收集系統可以從室外和室內捕獲光能，以補充甚至最終消除消費類和工業應用中的電池。同樣，壓電傳感器在有壓力或運動產生機械應力時能夠產生電壓，在汽車、飛機、自動化設備甚至人體振動中，這些傳感器能夠為許多物聯網設備提供能量。來自Mide的PPA-1021是一個0.74mm厚的壓電傳感器，通過捕獲振動能量在28.2V下產生4.5MW的直流輸出。

通過利用廢熱，熱電傳感器在兩種不同金屬連接處存在溫差時能夠產生功率，這種現象被稱為塞貝克（Seebeck）效應。Micropelt TE-CORE熱收集模塊用于收集本地可用的廢熱，并將其轉化為電能。它在<10°C的溫差下工作，能夠提供1.8V～4.5V的可配置輸出。

管理收集的功率

為了調節所收集的能量并保持連接負載的穩定電源，能量收集設備需要包括某種形式的電源管理集成電路（PMIC）。賽普拉斯（Cypress）的能量收集電源管理IC S6AE101A 專為超低功部署而設計，只需分別為250nA和1.2μW的工作電流和啟動功率。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網設備運行。如圖1所示，它采用內置的開關控制可將產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，電池儲備的電力可以補充電力。作為一種免電池的無線傳感器節點解決方案，它具有過壓保護（OVP）機制，其應用包括用于供熱通風與空氣調節、照明和安全系統的無線傳感器，以及藍牙智能傳感器等等。

圖1：基于Cypress S6AE101A PMIC的太陽能功率收集電源管理系統。（來源：Cypress）

Linear Technology的LTC3588-2是另一款能量收集PMIC，設計用于直接與壓電、太陽能或磁性傳感器連接。它可以校正電壓波形，并將收集到的能量存儲在外部電容器上。LTC3588-2通過內部分流穩壓器排出多余的功率，同時通過一個高效的納米功率同步降壓穩壓器調節輸出電壓。它具有四個可選輸出電壓，分別為3.45V、4.1V、4.5V和5.0V，可提供高達100mA的連續輸出電流。為了提供過壓保護，該芯片包括一個設置為20V的輸入保護分流器，其潛在應用包括胎壓傳感器以及移動資產跟蹤等等。

為了充電和保護微功率存儲設備，美信（Maxim Integrated）所提供的MAX17710 PMIC帶有升壓穩壓電路。該芯片采用12引腳UTDFN封裝，專門針對在能量采集場景中常見的穩壓不良電源而進行了優化，適用的電壓水平可低至0.75V。MAX17710 PMIC的功率輸出值在1μW到100mW之間，還包括一個用于過充電保護的內部穩壓器，提供給目標應用的輸出電壓通過低壓降（LDO）線性穩壓器進行調節，具有3.3V、2.3V或1.8V可選輸出電壓。輸出穩壓器能夠在可選的低功率或超低功率模式下工作，以最大限度降低儲能設備的功耗。

圖2：通過Maxim MAX17710實現的用于充電微功率存儲設備的能量收集系統。（來源：Maxim Integrated）

提供連續的穩定功率

超級電容器具有很高的儲能能力，可為依賴于能量收集設備中的連續負載提供穩定的功率。Murata公司的DMH系列超級電容器具有高電容容量，可為此類設備提供能量緩沖和峰值功率輔助。這些超級電容器具有35mF的電容、4.5V的額定電壓和300mΩ的靜態電阻（ESR），封裝大小為20mm x 20mm x 0.4mm，適用于空間和電池壽命受限的應用。這些超級電容器只具有薄紙的厚度，可以安裝在鈕扣電池下面，智能卡內部，或者設備屏幕后面，其關鍵應用包括可穿戴技術、零售系統、電子閱讀器和低厚度I/O智能設備等。

開發新產品

eZ430-RF2500-SHE是德州儀器的太陽能收集開發工具，能夠幫助設計工程師創建和測試一個永久供電的無線傳感器網絡。該工具采用超低功耗MCU，包括一個高效太陽能電池板，可提供足夠的功率來為無線傳感器應用供電，即使在室內照明條件下也不需要任何額外的電池。

Wurth Electronics提供的To Go Kit也是一個完整的開發工具，它通過一個封裝可提供能量收集、能量管理和存儲等功能。該套件包括一個太陽能電池板（32mm x 50mm）和一個熱能發電機（thermos-generator）（40mm x 40mm）作為兩個能量收集源，并配有一個采用48MHz ARM Cortex?M3內核的EFM32 Giant Gecko MCU。

隨著能源收集技術在幾乎所有領域都在展現出綠色能源的光明前景，研究人員正在努力探索新的可能應用。在這種背景下，密歇根大學的科學家們幾乎達到了這項技術的核心，開發出了一種從人體心跳獲取能量的裝置，從而為起搏器或植入式除顫器提供能量，這一進展可以消除與關鍵醫療設備需要定期更換電池相關的風險和麻煩。同樣，研究人員也在努力從人體熱量、運動和振動中獲取能量，以滿足植入式物聯網設備的功率需求。能源在我們周圍有很多，但目前大多還不能有效作為電能利用。能源收集技術彌合了這一鴻溝，因此，它將在我們未來的所有努力中發揮重要作用。