依靠环境能量来源为物联网提供电能

物联网 （IoT） 代表了一个高度互联的网络愿景，智能设备可以在这个网络中交换数据，无需人工干预，这涉及到智能设备的环境的方方面面。 为这些设备供电就是一大挑战，但其中一个好的方法就是能量收集解决方案。 使用已有的换能器和 IC，工程师可以设计出零能耗智能设备，来解决 IoT 所涉及的电能问题。

IoT 将互联网的边界延伸到单个嵌入式设备，旨在增加机器的互动性，这是常见的人类用户通过智能手机、平台电脑和计算机相互连接的范式的扩充。 与用户系统不同，通过 IoT 连接的嵌入式设备必须使用自足式电源来操作，不要想着有人来监控电源，更换电池，或将设备插到电源插座中。

在许多情况下，IoT 设备预期工作数年以上，远超大多数电池技术所能供应足够电能的能力。 同时这些嵌入式设备的许多智能传感器应用需要相对少的元件（图 1）来将传感器数据无线发送到其它智能设备或上游的服务器。

图 1：在概念上，IoT 中的典型无线传感器节点就是一个将 MCU 与传感器和无线连接子系统组合起来的简单设备。 系统电源对于预期将以无人值守方式工作数年的 IoT 设备来说可谓是挑战巨大。（感谢 Texas Instruments 提供数据）。

随着超低功耗元件和专用设备元件的出现，工程师们可以让设备从环境来源提取足够的能量来为系统供电（图 2）。 这就是所谓的“零能耗”系统，能够从环境获取并储存足够的能量，无需传统的电池，省去了麻烦的电池更换。

图 2：对于 IoT 来说，能量收集电源子系统可以从环境来源提取电能，符合长寿命能量储存设备的峰值功率要求，能够实现数年无人值守操作（感谢 Texas Instruments 提供数据）。

尽管工业和运输部门许多 IoT 应用可能允许使用太阳能操作，但是其中许多应用在被监视的环境中很可能被完全掩盖的很深。 大多数的个人保健应用中，智能传感器被深藏在袜子、衣服和设备中。 消费、零售、医疗和其它行业的类似应用将依赖自身能力从振动、温差和 RF 信号（附近的无线能量来源正不断增多）中提取足够的电能。

不考虑环境能量的类型，在构建能够从各个来源提取最大电能的能量收集型电源方面，设计师仍可能面临种种挑战，因为这些来源在不同时间的能量输出差异巨大。 如压电器件之类换能器用来将振动能量转换为电压输出，当工作在振动源的共振频率且工作负载与压电输出阻抗匹配时就可以提取出最大的能量。 事实上，为确保最大程度地转换能量，设计师需要考虑每一种转换器类型的典型运行特性，所有这些决定在一个理想的最大功率点产生最大的电能（图 3）

图 3：为实现最大功率，设计师需要考虑换能器的功率输出曲线，这对于变阻换能器（如太阳能电池 （a））和恒阻抗换能器（如热电发电器和压电器件 （a））来说差异很大（感谢 Cymbet 提供数据）。

进一步加剧复杂性的是，电源子系统需要提供功率管理功能，以便为负载有效提供电能，同时还要有效管理储能设备的充电和保护要求。 这些应用中常用的锂离子储能设备需要精确控制，以免出现欠压或过压，否则可能会永久性损坏储能设备。

面临多种此类要求时，理想的能量收集电源本身可能就是一个高度复杂的系统，因为需要优化才能实现从复杂的环境来源（如振动）中获取最多的能量，要用复杂的负载响应功率管理能力才能构建（图 4）。 此图中，换能器输入级使用了最大功率点跟踪 （MPPT） 技术，以响应共振频率的变化，将换能器保持在理想的工作状态。 在输出级，功率管理功能维护着储能设备，同时响应变化的功率需求。 在这些应用中无线通信占了功率负载的大头。 通过将通信占空比降到所需的最小水平，储能设备就可以提供足够的功率来应对功率需求中的周期性峰值，并能够在下一次峰值需求到来前及时充电。

图 4：理想化的能量收集电源要确保换能器维持在一个最大化能量输出所需的工作点，确保以最佳状态向储能设备和下游负载供电（感谢下一代能量收集、电子、工程和物理科学研究理事会提供数据）。

对于 IoT 器件设计师来说，在设计复杂的、能够实现大多数此类功能的能量收集电源子系统时，能够获得专用器件将大大缓解与之相关的挑战。 象 Maxim Integrated MAX17710 这样的专用器件具有这些应用所需的超低工作功率，并集成了储能和负载管理所需的复杂功率管理功能。 与此类产品中的某些其它器件一样，MAX17710 集成了升压转换器，可支持很低的电压输入源。 MAX17710 能够从输出功率水平低至 1 μW 的环境来源提取能量，同时提供可选的稳压输出，包括 3.3、2.3 和 1.8 V，且带有过放电保护。 该器件能够直接对储能设备进行充电，提供过充电保护以及欠压闭锁，以防对储能设备造成损坏。

Linear Technology 的 LTC3108 具有多种稳压输出，提供一个 2.2 V LDO 为外部微控制器供电，最大功率输出可编程为四个不同固定电压输出水平中的一个。 该器件能够为外部储能设备充电，当输入下降到预设阈值时能将负载自动切换到储能设备。

工程师也可以找到现成的器件来实现多种专用、复杂的能量收集功能。 Cymbet CBC915 采用了能够跟踪最大功率点的集成 MPPT 功能，适用于各种各样的变阻抗和恒阻抗换能器。 CBC915 设计与 Cymbet EnerChip™ 器件（如 CBC050）一起使用，提供全面的充电管理和保护功能以及与同伴处理器进行状态信息通信的能力，包括 EnerChip 充电状态。

凭借内置的电池和负载管理功能，Texas Instruments 的 BQ25504 也提供内置的 MPPT 功能来将换能器保持在其最大功率点（图 5）。 该器件会采样输入源的开路电压，具体使用外部电阻器和外部保持电容来编程设定。 该器件的升压转换器支持低至 80 mV 的输入电压源。 其储能管理功能集合了针对欠压和过压的储能器件充电和保护功能。

图 5：专为能量收集应用设计的器件，如 Texas Instruments BQ25504，内置使用 MPPT 技术进行有效能量挖掘的功能，同时能够管理储能设备和下游的负载（感谢 Texas Instruments 提供数据）。

其它专用器件目标针对基于特定换能器类型的能量收集应用。 Linear Technology 的 LTC3588-1 集成了全波桥式整流和降压转换器，以最大程度地转换来自高阻抗 AC 电源的能量，如压电器件。 而且该器件完全支持全系列换能器类型。 尽管并未着眼于支持电池管理要求，但 LTC3588-1 仍可以将电荷储存在外部电容器中，或配置成与备用电池一起工作。

结论

尽管 IoT 原则上能够连接数十亿的智能设备，但确保有足够的电力来支持这些设备经年累月的工作仍是一项挑战。 能量收集技术提供了一种特别适合这些智能设备预期工作条件的电源解决方案。 使用专为能量收集应用设计的 IC，工程师们能够设计出各种新兴 IoT 应用，让智能设备依靠包括太阳能、温度、振动和 RF 能量在内的环境能量来源支持数年的工作。