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來(lái)源：貿澤電子 作者：Doctor M 當前，電子設備和日常生活工作密不可分，物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)飛速發(fā)展。長(cháng)期以來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)所形成的巨大市場(chǎng)和數以?xún)|計的龐大設備數量已經(jīng)逐漸為人們所熟知。 然而，隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展以及應用場(chǎng)景的復雜化，一方面可移動(dòng)的終端設備正在變得越來(lái)越多，有線(xiàn)電源并非長(cháng)久之計；另一方面，部分邊緣設備被安置在野外或者不易更換電池的位置，加大了維護電源的難度。邊緣設備的電池壽命和供電方式正在成為物聯(lián)網(wǎng)設備生命周期管理的限制因素之一。 因此，如何為這數十億設備供電是行業(yè)目前著(zhù)力思考的難題并需要尋求出行之有效的解決方案，設備的供能方式、電池問(wèn)題正在成為新的挑戰。 為了解決這個(gè)問(wèn)題，一種用于從環(huán)境中收集能量，然后將其轉換為電能為負載供電或為電池充電的能量收集技術(shù)應運而生。能量收集技術(shù)能夠利用多種能源，包括光、熱、射頻和振動(dòng)源，轉換的電量可直接使用或儲存下來(lái)留作未來(lái)使用。對于無(wú)法使用本地電網(wǎng)或不易更換電池的遙距部署設備，能量收集解決方案在為電子設備提供可替代電源或為電池供電邊緣設備“續命”方面表現出卓越的效果。 
圖1：不同能源的分布功率密度及可收集功率密度情況 目前市場(chǎng)上已有幾種可行的技術(shù)，大部分已經(jīng)開(kāi)始投入部署應用，逐漸受到物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)傳感器、工業(yè)設備、樓宇自動(dòng)化、智能電網(wǎng)、農業(yè)等眾多領(lǐng)域的關(guān)注和采用，以便使產(chǎn)品的整個(gè)生命周期得到優(yōu)化。 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，能源收集技術(shù)是利用環(huán)境中的能量為設備的電池供電系統“續命”，同時(shí)節省原本要花費在電池系統上的投入和時(shí)間。根據市場(chǎng)研究公司IDTechEx的數據，預計到2022年，全球每年的能量收集收入將超過(guò)50億美元，市場(chǎng)前景廣闊。 如何應對電池供電新挑戰 從流程來(lái)看，能量收集系統基本分為收集、調節和儲存幾個(gè)步驟。能量采集器從能量源捕獲能量并輸出電能，接下來(lái)通過(guò)電源管理IC調節輸入電壓以適應負載要求，或者將電能儲存到存儲設備中備用。 能量收集技術(shù)遇到的問(wèn)題是要想將收集到的能量真正派上用場(chǎng)，既需要解決芯片自身低功耗的問(wèn)題，還要考慮如何大幅提高轉換效率。 例如太陽(yáng)能作為一種非常環(huán)保的能源，但發(fā)電的轉換效率非常低，只有20%左右，導致好不容易收集起來(lái)的能量沒(méi)有得到較好的利用，白白損耗掉了。 因此，這對能量采集芯片設計提出了新的要求和挑戰。 同時(shí)，如何管理與應用微能量也是值得關(guān)注的技術(shù)方向，需要積少成多地把能量收集并管理起來(lái)，涉及到能量存儲及減小漏電流的問(wèn)題。需要有能連續存儲并漏電流極低的存儲器件，只有漏電流遠遠小于收集的能量，這些采集來(lái)的能量才有可能會(huì )被用到，用來(lái)驅動(dòng)一些短暫或脈沖型的負載。 此外，對于那些連續工作的負載，低功耗和超低功耗器件是其關(guān)鍵。只有這些超低功耗的器件的工作損耗與采集的能量及這些能量的管理達到平衡，能量收集才能真正被廣泛應用。 可見(jiàn)，在廣闊的市場(chǎng)前景和應用潛力之下，能量收集技術(shù)仍有一些亟待解決的市場(chǎng)瓶頸和技術(shù)挑戰。隨著(zhù)能量收集市場(chǎng)的不斷擴大，以及當前行業(yè)面臨的諸多技術(shù)痛點(diǎn)的驅動(dòng)，很多公司都投入到開(kāi)發(fā)能量收集芯片中來(lái)，也在各自專(zhuān)注的細分領(lǐng)域中開(kāi)發(fā)出了很多創(chuàng )新技術(shù)，讓能量收集系統變得可行。 ADI ADP5091 以能量收集系統為例，貿澤電子在售的來(lái)自ADI的ADP5091是一款智能集成式能量采集nA級管理解決方案，可高效轉換來(lái)自光伏電池或熱電發(fā)生器（TEG）的直流電源。該器件可對儲能元件（如可充電鋰離子電池、薄膜電池、超級電容和傳統電容）進(jìn)行充電，并對小型電子設備和無(wú)電池系統上電。 ADP5091能提供有限采集能量（從16μW到600mW范圍）的高效轉換，工作損耗為亞μW級別。利用內部冷啟動(dòng)電路，調節器可在低至380mV的輸入電壓下啟動(dòng)。冷啟動(dòng)后，調節器便可在80mV至3.3V的輸入電壓范圍內正常工作。額外的150mA調節輸出可通過(guò)外部電阻分壓器或VID引腳編程。
圖2：ADP5091典型應用電路（圖源：ADI） 了解ADP5091更多信息，請點(diǎn)擊這里» 通過(guò)檢測輸入電壓，控制環(huán)路可將輸入電壓紋波限定在固定范圍內，從而保持穩定的DC-DC升壓轉換。在OCV動(dòng)態(tài)檢測模式和非檢測模式下，輸入電壓的編程調節點(diǎn)允許較大限度地提取采集器的能量�？删幊梯^低工作閾值（MINOP）以在低光照條件下實(shí)現升壓關(guān)斷。此外，DIS_SW引腳還能暫時(shí)關(guān)斷升壓調節器，對RF傳輸友好。 對于如何提高太陽(yáng)能的轉換效率，ADP5091芯片特別設計了MPPT控制功能來(lái)保證太陽(yáng)能電池板能一直工作在最大功率點(diǎn)上，只需要手表盤(pán)大小的太陽(yáng)能電池板即可工作。 該產(chǎn)品方案在故障指示器中可以進(jìn)行實(shí)例應用。在新興的電力配電網(wǎng)自動(dòng)化熱潮中，架空型故障指示器是一個(gè)懸掛在10KV電力線(xiàn)上，沒(méi)有任何外部供電裝置并能長(cháng)時(shí)間工作的傳感設備。當用電線(xiàn)路故障發(fā)生時(shí)，它會(huì )檢測并發(fā)送警報，使得線(xiàn)路工作人員能夠在短時(shí)間內檢修故障設備。過(guò)去因電力公司的預算和資源有限，面對高昂的累計采購成本和大量的經(jīng)常性維護工作，往往無(wú)法在龐大的電力基礎設施中部署更多故障指示器。 因此，在國家電網(wǎng)的新要求中，電流互感器（CT）取電作為了主要的供電方式，并加入了更多的功能要求，智能能量采集/管理和超低功耗成為了客戶(hù)設計中的關(guān)鍵。對此，采用ADP5091芯片的能源管理方案可以實(shí)現對電流互感器的能量采集，對超級電容的充電管理并支持最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）用來(lái)提高充電效率，實(shí)現對后續電路的穩定電源提供及后備電池的管理，并可以支持多種能量源的采集。通過(guò)優(yōu)化的最大功率點(diǎn)跟蹤實(shí)現了超過(guò)90％的功率轉換效率。 ADI高度集成的解決方案對于緊湊型布局極其有利，可減少設計復雜性，很好地實(shí)現了用一顆芯片管理所有的能量采集、充電及電源管理，能夠高效采集電能，而且只需更少的維護，并支持系統更快啟動(dòng)、功耗更低和運行更平穩，能非常顯著(zhù)地節約運營(yíng)成本。 除了上述提到的應用，采用能量采集芯片ADP5091的能源管理方案還適用于光伏電池能量采集、TEG能量采集、工業(yè)監控、自供電式無(wú)線(xiàn)傳感器設備以及具有能量采集功能的便攜式和可穿戴式設備。 邊緣設備電池供電的優(yōu)化策略 在物聯(lián)網(wǎng)應用中的小型太陽(yáng)能供電無(wú)線(xiàn)傳感器應用中，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )作為一種由大量傳感器節點(diǎn)構成的特殊網(wǎng)絡(luò )，用于數據的采集和傳輸。然而，由于各網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的設計屬性，布置在野外的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的供電問(wèn)題極大地束縛了該系統的生命周期，如何在供電受限的情況下有效延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的電池工作壽命，顯得尤為關(guān)鍵。 在該應用中，太陽(yáng)能供電能解決野外長(cháng)時(shí)間無(wú)人監護的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的供電問(wèn)題，還具有供電持久，節能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應用前景。但是收集完能量之后，如何調節所收集的能量并保持連接負載的穩定電源也是需要考慮的問(wèn)題。 對此，英飛凌旗下Cypress的能量收集電源管理IC S6AE101A能夠解決這一難題。 Infineon S6AE101A S6AE101A專(zhuān)為超低功耗部署而設計，啟動(dòng)功率為1.2μW，消耗電流低至250nA，設計用于配合尺寸小至1cm2的太陽(yáng)能電池使用。通過(guò)使用該芯片，在大約100lx的低照度條件下，緊湊型太陽(yáng)能電池可以提供足夠的功率供物聯(lián)網(wǎng)設備運行。
圖3：S6AE101A芯片框圖 (圖源：貿澤電子) 了解S6AE101A更新信息，請點(diǎn)擊這里» 同時(shí)，該芯片采用內置的開(kāi)關(guān)控制可將產(chǎn)生的電能存儲在輸出電容器中。如果太陽(yáng)能電池的電力不足以滿(mǎn)足所連接的負載需求，電池儲備的電力還可以進(jìn)行補充。 貿澤電子在售的S6SAE101A太陽(yáng)能物聯(lián)網(wǎng)設備套件為開(kāi)發(fā)具有BLE無(wú)線(xiàn)連接的太陽(yáng)能物聯(lián)網(wǎng)設備提供了一個(gè)易于使用的平臺。受益于S6AE101A的低功耗特性，該開(kāi)發(fā)套件成為了太陽(yáng)能或光能供電的能量收集系統（EHS）的理想選擇。此外，S6AE101A還支持使用太陽(yáng)能電池能量收集裝置（EHD）和紐扣電池的混合EHS，以及帶有外部二極管電橋的可選振動(dòng)EHD，為各種物聯(lián)網(wǎng)設備的使用提供了高度靈活性。
圖4：S6SAE101A太陽(yáng)能物聯(lián)網(wǎng)設備套件 (圖源：貿澤電子) 了解S6SAE101A太陽(yáng)能物聯(lián)網(wǎng)設備套件更多信息，請點(diǎn)擊這里» 參數特性方面，開(kāi)發(fā)套件包含了能量收集主板、BLE-USB橋接器、太陽(yáng)能組件（松下AM-1801）、兩條跨接線(xiàn)、220μF電容和10Ω電阻、USB接口和Mini-B電纜，以及快速入門(mén)指南，幫助工程師和用戶(hù)應對來(lái)自邊緣設備供電問(wèn)題的挑戰。 從環(huán)境中獲取的能量可以提供持續的電力來(lái)源，適用于許多應用。然而，用于提取能量的可用能量存儲裝置和換能器的輸出可能低于設備的參數要求。因此，在構建高效能量采集設計時(shí)，工程師可以根據受電設備的要求，利用轉換器來(lái)調整電壓電平。 TI TPS61099x 貿澤電子在售的來(lái)自Texas Instruments的TPS61099x就是一款具有1μA超低靜態(tài)電流的同步升壓轉換器。該器件專(zhuān)為由堿性電池、鎳氫充電電池、鋰錳電池或鋰離子充電電池供電的產(chǎn)品而設計，能夠在輕載條件下高效運行，這對延長(cháng)電池使用壽命至關(guān)重要。
圖5：TPS61099x升壓轉換器 (圖源：TI) ☞了解TPS61099x更多信息，請點(diǎn)擊這里» 特性方面，TPS61099x同步升壓轉換器的工作輸入電壓范圍為0.7V至5.5V，可調輸出電壓范圍為1.8V至5.5V，能夠提供固定輸出電壓版本。TPS61099x系列升壓轉換器采用遲滯控制拓撲，能夠以小靜態(tài)電流實(shí)現高效率，在輕載條件下僅消耗1μA靜態(tài)電流，在10μA負載下可實(shí)現高達75%的效率（固定輸出電壓版本）。此外，該器件在3.3V至5V轉換過(guò)程中支持高達300mA的輸出電流，在200mA負載條件下，效率高達93%。 在電池供電系統應用中，TPS61099x還能為不同應用提供降壓模式和直通操作。此外，TPS61099x在禁用狀態(tài)下能夠將負載與輸入電源斷開(kāi)，真正實(shí)現關(guān)斷，從而降低電流消耗。 同時(shí)，貿澤電子在售的TPS61099EVM-023和TPS61099EVM-768升壓轉換器評估模塊，能夠用來(lái)配置和設計用于評估TPS61099x同步升壓轉換器的特性指標，有助于設計人員評估TPS61099x轉換器的運行情況和性能，讓用戶(hù)能夠借助包括升壓轉換器在內的能量收集系統來(lái)應對設備電池供電部分的痛點(diǎn)和挑戰。 綜上所述，通過(guò)貿澤電子在售的多種類(lèi)型的能量收集系統產(chǎn)品和開(kāi)發(fā)套件，為物聯(lián)網(wǎng)和其他設備的電池供電問(wèn)題提供了多種解決方案，可選的能量收集技術(shù)種類(lèi)很多。用戶(hù)可以根據所處的環(huán)境和具體應用，結合預算、目標等維度，根據條件選擇合適的解決方案。 能量收集技術(shù)加速物聯(lián)網(wǎng)快速增長(cháng) 物聯(lián)網(wǎng)的普及帶來(lái)一波邊緣節點(diǎn)設備和應用的爆發(fā)，讓業(yè)界越來(lái)越多的認識到在邊緣節點(diǎn)收集和處理信息的作用和價(jià)值。而值得注意的是，部分電池供電設備被安置在野外或者不易更換電池的位置，要設備長(cháng)期穩定工作，關(guān)鍵在于能量收集和電源管理技術(shù)的優(yōu)化。 當前，隨著(zhù)能量收集技術(shù)在多領(lǐng)域展現出的光明前景，研究人員正在努力探索新的可能應用。未來(lái)，我們將會(huì )看到更多為能量收集而設計的電源管理產(chǎn)品以及低功耗微控制器，從而推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)和邊緣設備市場(chǎng)的向前發(fā)展。 在這個(gè)過(guò)程中，貿澤電子銷(xiāo)售的半導體產(chǎn)品和評估工具將極大地促進(jìn)能量收集技術(shù)在各應用領(lǐng)域的研發(fā)和部署，為電池供電邊緣設備“續命”持續助力。 |
