一文读懂嵌入式设备的能量采集技术

能量采集的发展有两个焦点：一方面，要着眼能量转换本身（该技术尚未成熟，但不久以后会涌现大量应用）；另一方面，业界正在研究超低功耗传感器节点器件，nA级的功耗对电池寿命的影响极小。

如果你的物联网项目不是机器人或机器工具，那么它可能是（或包含有）远程传感器节点。它将会使用小型化电池为自身供电。理想情况下，物联网项目中采用能量采集技术为的是完全去掉电池。更有可能的情况是，所采集的能源是用来补充电池输出，从而使电池使用时间更长。因此，能量采集的发展有两个焦点：一方面，要着眼能量转换本身（该技术尚未成熟，但不久以后会涌现大量应用）；另一方面，业界正在研究超低功耗传感器节点器件，nA级的功耗对电池寿命的影响极小。

具有讽刺意味的是，一些远程传感器节点被称为“能量采集器”（在某些产品资料中称为“EH”）。它们使用只需很小电流就可工作的器件——如μA/MHz级功耗的微处理器。EH开发套件的发展主题不是将环境能量转换为可用直流电压的技术，而是传感器、信号调理IC、微功耗控制器和通信端口等超低功耗系统器件，从而使电池显得可有可无。

事实上，尽管有若干不断演进的技术（例如可以利用光伏面板进行大规模能量转换），能量采集技术实际上还处于起步阶段。目前，屋顶太阳能电池板可以转换足够的能量来为家庭或办公室供电。但大规模储能仍是挑战。电容式存储系统（一些与翻斗车一样大）可提供长期可用储能，但对于嵌入式移动系统来说，这类系统基本不具便携性。

能量采集换能器的尺寸仍然是能量采集技术的关键。大功率系统依赖于更大的能量转换器：太阳能电池可提供100mW/cm2功率——1cm2就足以为袖珍计算器供电。但是通过其他能量采集技术采集到的能量却达不到这个指标。热梯度能量采集器可提供10mW/cm2；振动（压电）能量采集器可提供100μW/cm2。射频（RF）能量采集器由于有太多的能量可以收集，似乎很受欢迎，但它才产生0.1µW（100pW）/cm2。

能量采集技术

环境能量转换器的效率虽然不是特别高，但仍受其工作环境的制约。举个荒谬的例子，尽管可以使用染料升华技术（DSSC）调节太阳能转换器对室内照明波长（例如由荧光管发射的约600nm波长）的灵敏度，你也不会从锁在室内衣柜中的太阳能电池采集到很多能量。

压电器件（异质金属“夹层”）可以通过机械形变产生可用电压，但与传感器的面积和形变相比，采集的电能仍然非常小。你可以用鞋内的压电器件产生的能量为你的手机电池充电，但这需要一周时间。

热梯度是一种不同类型的“夹层”，声称具有高转换效率和高输出。它利用的是塞贝克效应，且半导体夹在热板和冷板之间。虽然支持者声称具有高转换效率，但是采集的电量是热冷板（它们的尺寸和冷热金属之间温差）的函数。温差越大，可用的电能就越大。但是，这种能量转换方式只有在温差大的地方（像在加拿大北极地带有一块热板一样），效果才最佳。

压电式能量采集器的应用包括运动器件和振动监视器。无线HVAC传感器和移动资产跟踪在各制造商的产品资料中被确定为可行的传感器；压电器件似乎更适合于检测机械力和形变，而不是气态条件（如温度和湿度）。

智能楼宇应用

智能楼宇用能量采集器主要是HVAC传感器，用于监视会议室占用（红外线功能）以及空气温度、湿度和CO2含量。其他智能楼宇传感器用于监视照明（包括窗灯、房间灯和遮阳控制）。安全传感器用于检查房间非法占用和侵扰。电力公司监控可执行抄表和电能使用错峰控制。EH系统提供“平台即服务”（PaaS）云服务交互，可实现蓝牙和其他网络通信。

邮箱功能（如设备服务标签）与微控制器配合使用。对于数据记录应用，EH模块可支持冷冻食品运输的冷链时间和温度监测。医疗应用包括智能贴片，其中传感器用于监测血糖、体温、湿度、pH值和氧气含量。（德州仪器的网站有气体检测器参考设计）

压电器件的一个交叉应用可能是汽车轮胎压力传感器，它报告气体产生的机械力。压电运动检测器应用的一个有趣的新趋势是将其整合到织物中，这种技术可支持可穿戴技术。

图1：压电运动检测器应用的一个有趣的新趋势是将其整合到织物中，这种技术可支持可穿戴技术。（来源：博尔顿大学）

保持小体积

在技术开发方面，模拟半导体制造商将其研发工作重点放在超低功耗半导体，而不是太阳能电池或特定调谐振动传感器。可穿戴设备、远程传感器节点（包括网状网络）、移动传感器（如气体检测器）和运动检测器需要小型（甚至微型）能量转换器，而不是使用像铁路机车那样大的能量采集器。

图2：零功耗传感器几乎能够从任何环境中收集能量。能源包括光、振动、流动、运动、压力、磁场和RF。（来源：Cymbet公司）

因此，各半导体制造商在其数据表和白皮书上发布的公告都强调超低功耗。像ADI公司LTC3588、美信公司MAX17710或德州仪器公司bq25504这样的信号调理IC即使在多种混合负载情况下也强调超低流耗。例如，LTC3588的资料表明，尽管其高阻抗输入可以面向各种能源，但它对压电输入进行了优化。LTC3588本质上是一款静态电流为450nA的低功耗AC-DC转换器。其输入范围为2.7V至20V，输出可低至1.8V，压差不超过400mV。

美信声称其MAX17710能管理稳压较差的输入源，输出功率范围为1μW至100mW。该器件可以从多种能量转换源提供超过20mA的电流。TI的BQ25504同样本质上是一款超低功耗高效率的DC-DC，可从低输入源（例如80mV）提供连续的能量采集。其静态电流小于330nA。

EH处理器

MCU功耗的规范也类似关注超低功耗应用。技术上，功耗是流耗（μA或nA）与生成电压（通常为mV）的乘积。在能量采集器的接收端，这个数字可能是μV。

IoT常见的设计目标是尽可能减小启动节点用器件的体积和流耗。系统模块（除电源管理器件之外）包括传感器、传感器信号调理电路、微控制器（μA级流耗）和用以通知数据差异的通信器件（如低功耗蓝牙，BLE）。

ARM Cortex M的各个版本都夸耀其看似极微的功耗，例如Atmel公司32位ARM Cortex M0+在活动模式下的功耗为35μA/MHz。该处理器在睡眠模式下总共消耗200nA。美国科技博客ARS Technica上的博文“New ARM-powered chip aims for battery life measured in decades”指出，如果我们谈论持久的电池寿命，那对这款低功耗微控制器来说，就不仅仅是几年，而是几十年。

另一个例子，赛普拉斯半导体无线传感器用能量采集PMIC具有长时间间隔中断定时器模式，可通过利用长时间间隔待机来延长电池寿命。它与低功耗微控制器（如赛普拉斯的PSoC）配合工作。

MSP432是德州仪器版的ARM Cortex M，具有95µA/MHz的工作电流和850nA的待机电流。

当然，TI在一份微控制器功耗教程中提出建议：实际的处理器功耗反映的是几种不同工作情况的总和。工作情况包括活动模式和睡眠模式。在嵌入式系统应用中，微控制器在大部分时间可能会休眠。因此，与数MHz时钟下的响应相比，睡眠模式功耗可能是更有用的指标。

因此，延长电池寿命似乎完全与休眠和活动所用时间的比例相关。TI建议，微控制器的功耗“不是一个数字”。