合作承诺无电池物联网设备

作者：Maurizio Di Paolo Emilio，特约作家

近年来，对超低功耗的要求一直是最重要的电子设计标准。在许多情况下，水平从 mW 急剧下降到 µW 或 nW。作为直接结果，还开发了新技术来解决能源问题。超低功耗微控制器 (MCU) 和能量收集的结合催生了以前无法实现的广泛应用，从而提高了电子设备的自主性水平。能量收集是使用不同的方法（例如热电和振动）将环境中存在的环境能量转换为电能。

能源消耗以及更换或充电电池的需求仍然是采用物联网 (IoT) 的关键挑战，特别是对于商业和工业应用而言。许多低功耗便携式物联网设备可以永久工作，由能量收集供电，无需更换电池或充电。

Atmosic Technologies和Matrix Industries宣布合作提高工业物联网 (IIoT) 解决方案的能源效率。Atmosic 的超低功耗技术与 Matrix 的热电技术相结合，将减少环境影响和电池维护成本。

能量收集的圣杯是允许设备在偏远地区在没有电池的情况下运行。低功耗设计和能量收集技术的结合可以创建具有连接、处理和跟踪功能的物联网应用。

热电能量收集

Matrix 正在努力提高基于热电效应的收获技术的效率。热电效应将材料的温度变化转化为电压，反之亦然。最好的热电材料可以很好地导电并提供良好的隔热性。

所提供的热量通过使用塞贝克效应的热电转换器转换为电能。目前可用材料的当前热力学效率约为卡诺极限的 15%。这是由于难以将电传导与热传导分离。纳米材料合成技术的进步和新聚合物的开发为新一代热电材料的开发提供了机会，这些热电材料更高效、成本更低、机械灵活，可用于生物医学设备等各种应用。

热电器件的基本组件包括单个结构的 P 型和 N 型半导体热电材料，每个结构都串联电连接。Matrix Gemini 热电发电机 (TEG) 是一种高性能能量收集设备，专门设计用于最大限度地从低温热源转换为电能。它采用稳定、高性能的热电材料，效率比传统热电材料高 30%（图 1 和图 2）。

图 1：带有热电能量收集的电路图。Matrix 的 Mercury IC 是一款毫微功率能量收集同步升压转换器，具有微瓦冷启动、输入阻抗匹配和稳压功能。

图 2：用于能量收集的 MATRIX TEG。

Matrix PowerTile 是基于热电的电源的一个例子，它从大约 2°C 的最小温度变化中获取电力。它可以埋在地下或嵌入到建筑基础设施中，为物联网节点提供持久的动力。（图 3）。

图 3：MATRIX TEG 的布局。

“热电工程具有颠覆物联网能源的巨大潜力。它可以通过温度波动从稀薄的空气中收集能量。每个热电系统都可以定制成各种形状和尺寸，以适应最终产品的电力需求和设计，”Matrix 产品副总裁何孟说。“最终，热电[工程]的发展允许物联网节点部署到曾经无法接近的地方，释放无限的可能性。”

没有电池的新前沿

Atmosic和 Matrix 将与工业和消费设备的主要客户合作，实施由热电技术和其他能量收集技术驱动的连接解决方案，以提高效率和生产力。

“Atmosic 和 Matrix 致力于减少行业对电池为物联网设备供电的依赖，”Atmosic 的首席执行官 David Su 说。“Atmosic 创新的最低功耗连接解决方案与 Matrix 的尖端热电技术相结合，将使客户能够在各种应用中显着减少甚至消除对电气/有线或电池电源的使用，从而节省成本。”

减少物联网应用中有线、电力和电池供电的能源使用可带来许多经济和环境效益。与许多需要频繁更换电池的设备不同，具有能量收集功能的低功耗物联网解决方案的电池寿命显着延长，或者可以完全无电池，从而简化维护操作并降低维护成本。

几年后，估计全球将有超过 350 亿台联网设备。Atmosic 和 Matrix 技术非常适合广泛的农业工业应用，以及可穿戴设备和家庭自动化产品等对访问至关重要的消费设备。此次合作使 Atmosic 能够扩大其在未开发的 IIoT 领域的影响力和有用的市场，并扩大其在消费设备领域的影响力。反过来，Atmosic 的无线技术使 Matrix 能够提供与物联网的超低功耗连接的全方位服务解决方案。

“联网物联网设备能量收集的关键是其基准功耗。Atmosic 设计了一种极低功耗（比平均功耗低 5 到 10 倍）与标准兼容的蓝牙解决方案。因此，收集到的少量能量可以实现无电池或永久电池设备，”Atmosic 业务发展副总裁 Srinivas Pattamatta 解释道。“通过在蓝牙 SoC 内设计一个全面的电源管理控制器，可以同时使用多种能量收集技术，确保持续供电、持久连接的解决方案。”

光电、热电、压电和电动技术是众所周知的，通常用于为无线传感器网络 (WSN) 检测节点供电，这些节点将数据传输到中央控制器。能量收集技术可用于提高工业系统的可靠性和可用性。 

从环境或“免费”能源为无线传感器节点供电很有趣，因为它可以消除对电池或电缆的需求，在更换或维护电池困难、昂贵且需要大量劳动力时提供明显优势。

审核编辑 黄昊宇