新一代微型能量收集技術加快無電池應用步入現實

橋梁的安全監控、零瓦待機、智能照明控制……等這些看似風馬牛不相及的領域，今天，它們都將和一個概念——“微型能量收集（Energy Harvesting）”技術聯系在一起。微型能量收集技術雖然現在還沒有得到大規模商用，但已經取得了重大技術突破，這為討論已久的“無電池”、“半永久續航”應用的廣泛普及奠定了基礎。

富士通半導體最新推出的在微光條件下也可以實現97%轉換效率的光環境發電PMIC，并且此電源管理IC還可以實現低至0.35V的超低電壓啟動。這些技術上的突破使得以往處于概念階段的“無電池”、“半永久”應用場景即將成為現實，并且為綠色節能應用提供了更廣闊的想象空間。

微型能量收集市場現狀與趨勢

“事實上，微型能量收集并不是一個全新的概念，它之所以一直沒有被真正的廣泛應用的最大原因是其能量收集端所能收集到的能量和其實際能夠推動的能量消耗端所消耗的能量之間一直處于不平衡的狀態，簡單點說就是其收集的能量不夠用。可喜的是隨著傳感器、MCU、RF等器件功耗的不斷降低，以及微型能量收集電源管理IC技術的突破，使得系統能量收支逐漸趨于平衡。”富士通半導體市場部高級經理王韻介紹說。

而據測算，這類應用的能量收集和能量消耗情況在2010年和2011年階段的時候已經非常接近，而2011年以后，他們認為微型能量收集技術所能收集的能量已經完全可以用于能量消耗的部分。

另據美國Innovative Research and Products (iRAP)公司的調查顯示，到2014年，整個微型能量收集的市場規模將達到12.54億美元。而從2009年開始，其市場一直保持每年73%的高增長率。

英國的IDTechEx公司也曾提供數據：“能量收集與能源類相關設備市場規模將由2010年的4.4億美元增長至2020年的6.05億美元”，微型能量收集技術將成為一個非常有潛力的市場

將無電池應用變為現實

我們的生活圈中存在各種能量，如光、熱、無線電波和振動等，如下圖1所示。這些能量以太陽能、電磁、壓電等形式輸入能量收集電源管理IC(PMIC)，用于能量收集。輸出功率可以用于傳感器、低功耗MCU或存儲在存儲元件中，如雙電層電容和全固態二次電池。

圖1. 能量收集系統配置。

富士通半導體及合作伙伴們一直在設想有哪些應用方案可以使這些生活中隨處可見的能源被收集起來。王韻例舉了幾種非常有意思的能量收集應用。如下圖2所示，這些應用包括：無需鑰匙就能打開車門、水管理系統、無電池遙控、自定位系統等。

圖2. 微型能量收集技術可實現的無電池應用例子。

日常生活中，這些應用如果使用電池，就需要手動更換電池。電池確實是非常便宜，但是很多情況下對基礎設施的電池進行更換的費用往往代價昂貴，而且廢舊電池屬于污染物。那么，此時能量收集方案就是解決方案。

“對于微型能量收集的無電池應用（batteryless），富士通半導體關注的重要領域之一就是在物聯網即所謂的傳感器網絡（sensor network）的應用，幫助這類系統中的傳感器節點（sensor node）以及用于通信的RF模塊實現半永久的供電。” 王韻進一步指出。

下圖3的三角形顯示了微型能量收集的無電池應用在云業務中的3個層級，可以看到三角形的底層即是我們所講的傳感器節點，在中間層是一些網關，而這個三角形的頂部是云業務。

圖3 為什么需要無電池解決方案？

“在這個系統中需要數量龐大的傳感器節點，并且對其中的每個傳感器節點都要求能夠自由維護，并可以安裝在任何地方。這就決定了必須是無電池的解決方案。”王韻解釋道。

橋梁安全監控等“半永久”傳感器網絡

文章開頭提及的橋梁安全監控也是傳感器網絡的一個實例。據不完全統計，最近五年內中國倒塌的橋梁總共達有三十七座之多。其實不光是在中國，在美國、日本、歐洲，很多橋梁因為建造的問題，因為地質變動的問題，因為老朽化的問題，多多少少都會存在一定的危險性。

橋梁的安全性問題迫使人們不得不對橋梁進行定期的或實時的監控。而現在能夠對橋梁進行實時監控的方式之一就是將傳感器安放在橋梁上。但是新的問題又出現了，因為在橋梁上布電源線是非常不方便的，傳感器必須實現無線，按照現在的方式只能在傳感器內部放一顆電池，可是放電池又遇到一個問題，即當電池電量耗完后，必須有人到橋梁可能人都沒辦法爬進去的地方去換電池，這就逼迫大家必須考慮將環境能量收集過來實現“半永久”工作的傳感器網絡。

王韻認為，除了橋梁的安全監控，能量收集技術在中國應用最多的還將體現在其它一些基礎設施或建筑物上面，

幫助實現“零瓦”待機這一新賣點

現在消費者對節能的要求越來越高，特別是崇尚綠色生活的歐洲用戶，非常厭惡使用電池的應用。因此在家用電器方面，很多廠商都在努力實現0W待機，以獲得一個新的賣點和產品差異化特性。如機頂盒待機是從20W到10W到5W，到目前實現1W待機，以后要實現0W待機，但是0W待機在物理上是有限制的，要跨過這一步就必須采用微型能量收集技術來幫助實現，這是市場應用的機會所在。

富士通半導體本次展示的一款PMIC就屬于微光太陽能采集芯片，能幫助實現0W待機。如在機頂盒或電視機上加上小小的一片太陽能電池板，幫助收集室內的微弱光照，讓一顆MCU維持待機的功能，另外的主系統就真正實現關閉，這樣就真正實現了0W待機。“而以前的電視廠商都是通過電池來實現待機的，現在我們用太陽能電池板替換了電池的應用，實現了無污染的零瓦待機。”王韻說。

用于智能照明控制，大幅降低樓宇耗電

“通常，我們會下意識的認為大樓里面能耗最大的是空調，冷氣或暖氣系統，但當我們進行調查研究后，得出的結論竟然是樓宇里的照明才是耗電最大的部分。所以要降低整個大樓的能耗，就要首先從照明系統開始。”王韻介紹說。