能量收集技术为物联网设备供电的发展现状与未来趋势

作者：赛普拉斯半导体公司 Arijit Karmakar 和 Ronak Desai

近年来，物联网发展吸引了大量投资，尤其是在机对机（M2M）接口技术和大数据处理领域。物联网指的不仅是通过互联网连接个人电脑和智能手机，还包括数十亿“物体”与设备之间的连接。然而，如何为这数十亿设备供电是设计工程师目前着力思考的难题并需要寻求出行之有效的解决方案。尽管传统电池电源能够解决供电问题，但必须经过采购、维护和后期处理程序。而且，当设备安装在偏远位置时，更加大了维护电源的难度。

作为替代方案，能量收集技术能够为遥距物联网设备和传感器直接供电，并带来巨大效能。目前市场上已有几种可行的技术，大部分已经开始投入部署应用。其中包括能量收集PMIC 产品和大量低功耗的微控制器，能够满足遥距物联网设备的供电需求，从而推动物联网增长。

有了能量收集解决方案，电子系统就能够在没有传统电源的情况下独立运作。然而，无论这种方案多么的方便和灵活，能量收集技术还是具有一定的多面性和局限性的。这是一个可行的解决方案，但绝不是一个简单的方案，必须从功率分配的角度精心挑选 PMIC 产品和能量储存设备。此外，能量收集效率也是能量收集设备设计的重要因素。

本文将介绍能量收集、能量储存和电源管理解决方案的优点、构建以及发展趋势。

能量收集是什么？

能量收集指的是收集环境中容易获得的少量非传统能量并将之转化为电能的过程。获取的电量可直接使用或储存下来留作未来使用。对于无法使用本地电网的遥距部署设备，能量收集解决方案在为各类电子设备提供可替代电源方面表现出卓越的效果。

所收集的能量可来自于无线电能量（RF 源）、压电元件的振动动能、压力能或者光电电池的光能。接着将收集到的能量转化为电能，并储存在耐用储存电池中，如电容器。能量收集系统通常包括用于产生或获取能量的电路，以及配有用于电源管理和保护的附加电路的存储装置。

能量收集技术应用不仅限于延长物联网设备的电池寿命，还可以用作工业、商业和医学应用的替换电源，如可穿戴电子产品、可植入设备、远程腐蚀监测和结构检测等。

为什么能量收集对物联网设备来说如此重要？

物联网发展已经成为最具潜力、盈利最丰厚的市场机遇，预测到 2020 年，将会有超过 300 亿台物联网设备。在不久的将来，几乎每一台设备，从传感器、仪器、汽车、可穿戴电子产品以及温度调节器、冰箱等嵌入式系统都将会连接到互联网。

理想状态下，这数十亿件小型便携的设备将连接至无线网络并拥有较长的使用寿命。电池似乎是一个不错的选择，但要在小型装置内安装电池，通常都不太可行。此外，电池维护和更换的成本也不低。考虑到我们需要充足的电源，能量采集将会是解决电池问题的可行方法。实际上，能量收集能够支撑电子系统依靠环境电源运作几年。

能量收集的基本构建模块

能量收集系统的基本构建模块通常包括：

换能器和转换电路：换能器从不同的电源中获取非传统能量，并转化为电能。典型的换能器示例包括：光电电池转化光能、热电装置转化热能、压电元件转化振动动能等等。

能量储存设备：例如电池和超级电容器，可用于储存转化生成的电能。

电源管理电路：电源管理电路由一个稳压器组成，根据系统的要求进行电源管理。

图1：能量收集系统的基本构建模块

现今的发展趋势与技术

如前所述，我们可以从各种不同的非传统能量中收集电能，如太阳光、射频信号和振动动能等。每一种类型的能量收集都需要电源转换电路、能量储存设备和 PMIC 产品。

收集太阳能：小型太阳能电池含有光电电池，能够将光能转化成电能。然而，对室内应用来说，环境光通常不是非常强烈，强度一般约为 10 µW/cm²。室内能量收集系统收集的能量受到太阳能模块尺寸大小、环境光强度及光谱组成的限制。通常来说，太阳能电池收集的电能可以用于电池或超级电容器的充电，从而为设备提供稳定的电源。如今，此类太阳能电池已广泛应用于消费者应用和工业应用中，如玩具、手表、计算器、路灯、移动电源和卫星。

收集动能：压电换能器受到振动和移动时能够产生电能。因此，设备能够将振动产生的动能转化为 AC 电压，AC 电压经过调整后，向系统提供电力。有多种不同的方法可以收集来自动能的能量。例如，用户按下遥控器按钮时产生的能量可以收集起来用于发送一个低耗能的无线电信号。同样地，当有人走过时，安装在地砖底下的压电换能器也能产生电能，可以为小型显示屏或紧急灯供电。

表1：比较不同能量收集技术的性能参数

收集热能：热电能收集器的工作原理基于塞贝克（Seebeck）效应，根据两个不同导体接合处的温度差而产生电压。利用由系统内温度变化而产生的电能，能够运作供电好几年，尤其是低功耗电路设计的系统。这种技术在回收热量损失方面很有用。最新的技术发展将会利用人体热量为穿戴设备的健康传感器供电。

开发工具

由于能量收集技术产生的能量很少，因此要保持系统中能量生产和能量消耗的平衡是非常重要的。设计工程师需要仔细评估能量需求并选择相应的组件。根据不同的操作模式，如激活模式、睡眠模式等，物联网设备的能量需求也会有所不同。设计过程中需要进行试验或者会发生错误，有时候还需要进行详细的实验。因此，使用开发套件能够帮助开发者进行早期实验并完成系统的初始原型。

如今，投资物联网技术的行业已经引用了多种物联网开发套件。使用行业标准工具以后，可以准确地计算、评估能量生成量和消耗量。例如，赛普拉斯/Spansion 推出了基于网络的 Easy DesignSim 设计工具，让所有用户能够轻松地计算并调查能量收集量。

图2：能量收集入门套件，包含了针对最小能量消耗进行了优化的原始无线协议，以及带 ARM Coretex M3 内核的 FM3 微控制器。

赛普拉斯的能量收集入门套件利用能量收集技术，简化并加快了无线传感器模组的开发进程。这款低功耗的无线协议能够替代 ZigBee 或蓝牙等低功耗无线协议。套件中的微控制器是赛普拉斯基于Spansion ARM Cortex M3 内核的FM3 微控制器，能够根据不同的 ARM 开发进行定制。

图3：利用能量收集技术驱动低功耗蓝牙信标的入门套件能够与太阳能电池、压电元件或其他传统配件配套使用

另一个能量收集入门套件可以帮助开发者利用能量收集技术建立低功耗蓝牙信标。可以使用太阳能电池或压电元件进行能量采集。此外，该套件可使用 USB 电源供电，并配有 BLE 低功耗蓝牙转换的无线模组。

图4 物联网开发入门套件可用于能量收集

技术挑战

在设计物联网设备能量收集系统的过程中，开发者面临的最大技术挑战和操作挑战就是要找到一个可行的能量储存解决方案。最初的产品设计是为了从非充电电池中获得的电力，因其成本低，而可用性和便利性高。然而，非充电电池的能量资源是有限的，并且需要定期更换。为了解决这个问题，制造商开始使用可充电电池作为主要的能量储存。

如今，镍镉电池和锂电池等可充电电池已应用于物联网设备中。尽管这类电池的使用非常方便，但拥有极高的放电率，每块电池只可以充电放电大概 500 次，限制了电池在物联网应用中的长期应用。因此，寻找改进电池技术的解决方案，是设计工程师如今面临的关键挑战。

除此之外，设计师还需要克服提供能量收集设备效率的主要缺点。用于将非传统环境能量转换成电能的换能器的转换效率通常限制在10％。另外，用于储存和转化能量的电路会有能量损耗。加上所有损耗，产品只能获得能量来源约 1％的能量。因此，设计师需要进行非常仔细的分析和建模，从而通过能量收集和电路的功率需求来平衡可用能量。

本文简要介绍了能量收集、能量储存和电源管理解决方案的最新技术和发展趋势。有了能量收集 PMIC 产品，嵌入式电子设备的开发似乎变得更加简单了。在电源管理方面，有越来越多可行的供电技术，能够为家用电器、穿戴设备及电子产品等各种物联网设备供电。在未来几年里，预测最具发展潜力的技术是为物联网设备供电的无线电力传输、热电技术和太阳能收集技术。以后，我们将会看到更多为能量收集而设计的 PMIC 产品，以及低功耗微控制器，从而推动物联网的前进发展。技术进步将贯穿于消费者、工业和医疗市场等垂直市场中，创造出超乎想象的新技术应用。