能量收集有助于改進(jìn)邊緣物聯(lián)網(wǎng)設備

2021-10-24

能量收集有助于改進(jìn)邊緣物聯(lián)網(wǎng)設備

如果我們想提高生活質(zhì)量并確保長(cháng)期可持續性，智能生活是一個(gè)至關(guān)重要的方面。這就是為什么企業(yè)正在轉向數字化轉型并且物聯(lián)網(wǎng)項目正在取得進(jìn)展。最流行的物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)是傳感器，或者不太常見(jiàn)的執行器，它們以無(wú)線(xiàn)方式連接到聚合設備或互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。在智慧城市、智慧工業(yè)或智慧農業(yè)等環(huán)境中，它們通常會(huì )大量部署并覆蓋較大的地理區域?，F場(chǎng)維護，包括更換用完的電池，是一個(gè)昂貴的過(guò)程，而放電的電池代表著(zhù)一個(gè)非常大的環(huán)境問(wèn)題。在端點(diǎn)的設計過(guò)程中，工程師可以通過(guò)提供足夠的能量來(lái)延長(cháng)設備的預期壽命，從而避免更換電池，這可能需要一些時(shí)間。由于尺寸限制，紐扣電池外形通常是首選。如果存儲的能量不能滿(mǎn)足系統的要求，用更大的電池替換電池可能是一個(gè)很好的解決方案。另一種選擇是重新設計電路，以將系統總能耗降低到可用單元存儲以下。一種或兩種策略，或兩者的組合，可能無(wú)法達到預期的結果。微瓦或毫瓦范圍內的微能量收集可以提供有用且可能無(wú)限的從周?chē)h(huán)境收集的電能供應。根據應用和可用的環(huán)境能量，這可以補充或替代原電池。電路可能直接由捕獲和轉換的能量供電。另一方面，在需要之前將能量存儲在緩沖器中可能是更好的選擇。在任何情況下，都需要能夠滿(mǎn)足應用需求的適當環(huán)境能源。

在任何情況下，都需要合適的環(huán)境能源，能夠滿(mǎn)足應用的需要。在物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)的各個(gè)子系統中，無(wú)線(xiàn)電的能源需求最大。分析這里的需求，為能量收集系統的設計和集成提供信息可能是有益的。

無(wú)線(xiàn)電子系統功耗

選擇最合適的無(wú)線(xiàn)技術(shù)以盡可能低的功耗提供所需的數據速率和通信范圍至關(guān)重要。

如果傳感器的位置距離聚合器或網(wǎng)關(guān)（例如連接到 Internet 或通過(guò)本地電信交換機的集線(xiàn)器或路由器）只有很短的距離，則藍牙、Zigbee 或 Wi-Fi 等技術(shù)可能是合適的，具體取決于所需的數據速率以及成本限制。在其他情況下，例如端點(diǎn)分布在地理上很大的區域，可能需要 LPWAN 或蜂窩連接。圖 1 比較了物聯(lián)網(wǎng)應用中使用的主要技術(shù)的功耗、數據速率、典型最大范圍和相對成本。

圖 1：流行的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的比較。

范圍、數據速率和功耗也可以用數字表示，以幫助直接比較。如圖 2 所示，無(wú)線(xiàn)子系統的功耗可低至 150μW 至 400mW。

圖 2：數據速率、帶寬和功耗之間的比較。

要充分了解對系統整體能源需求的影響，還需要考慮占空比。智能公用事業(yè)儀表等應用涉及每天或每隔幾天發(fā)送幾次小數據包。其他設備（例如安全攝像頭）可能需要頻繁或連續發(fā)送大量數據。根據應用的不同，可以通過(guò)在傳輸之前在系統內本地過(guò)濾數據來(lái)減少占空比；相機可能裝有運動(dòng)傳感器，僅在檢測到活動(dòng)時(shí)才開(kāi)始記錄，或者嵌入式圖像處理可能會(huì )丟棄無(wú)趣的數據。當然，過(guò)濾數據所需的能量必須與降低占空比節省的能量進(jìn)行比較，以確保凈收益。

環(huán)境能源

了解無(wú)線(xiàn)子系統所需的能量和功率后，就可以評估合適的環(huán)境源和微能量收集技術(shù)。

適合為這些系統供電的主要微型能量收集技術(shù)是太陽(yáng)能電池陣列、由振動(dòng)激活的壓電或靜電轉換器，以及將溫度梯度轉換為電動(dòng)勢 (EMF) 的珀爾帖設備。通過(guò)貼片或線(xiàn)圈天線(xiàn)捕獲的射頻能源往往不適用于除最節儉的物聯(lián)網(wǎng)應用之外的所有應用。圖 3 比較了與這些技術(shù)相關(guān)的典型能量密度。使用此信息，可以通過(guò)評估可用組件的尺寸和性能來(lái)選擇技術(shù)并開(kāi)始制定規范。

圖 3：收集的環(huán)境能源的功率密度。

面積為 35-40cm 2 的太陽(yáng)能電池 可產(chǎn)生約 0.5 瓦的功率，假設效率約為 20%。這些產(chǎn)品的每臺售價(jià)不到 1 美元，而壓電采集器通常至少要貴一個(gè)數量級，并且產(chǎn)生的能量更少。眾所周知，太陽(yáng)能電池在室內使用時(shí)效率較低。然而，最近推出了一些室內太陽(yáng)能收集器，聲稱(chēng)可以為低功率無(wú)線(xiàn)電提供足夠的輸出。

把這一切放在一起

利用這些進(jìn)步，微能量收集可以被視為減少或消除物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)電池的解決方案。因為當物聯(lián)網(wǎng)設備需要傳輸或接收數據時(shí)，能源本身通常是不規則的并且不一定可用，因此通常需要能量緩沖器或存儲設備。這可以是可充電電池或電容器（或超級電容器）。需要一個(gè)能量收集電源管理 IC (EH PMIC) 來(lái)處理來(lái)自收集子系統的能量，管理提供給能量緩沖器的電荷，并在需要時(shí)為負載供電，如圖 4 所示。各種能量收集技術(shù)具有不同的電氣特性。熱電采集器在低電壓下產(chǎn)生連續的直流電流，因此具有低阻抗。雖然太陽(yáng)能電池也會(huì )產(chǎn)生低直流電壓

圖 4：EH PMIC 處理能量緩沖器的充電和應用供電

當今市場(chǎng)上的典型 EH PMICS 具有固定的架構和輸入電壓范圍，旨在與特定類(lèi)型的采集器配合使用。如果單獨的一個(gè)來(lái)源不能滿(mǎn)足系統要求，這就排除了使用替代收集器來(lái)捕獲額外的環(huán)境能量的可能性。因此，如果需要多個(gè)能源，則每個(gè)能源都需要一個(gè)專(zhuān)用的 EH PMIC。這會(huì )增加系統成本、尺寸和功耗，并且還會(huì )使設計復雜化。

一些 EH PMIC 可以使用外部電路進(jìn)行修改，以調節能量收集器的輸出。然而，為了簡(jiǎn)化系統設計，Trameto 的 EH PMIC（稱(chēng)為 OptiJoule）提供的輸入可以自動(dòng)適應各種類(lèi)型的連接采集器，并最大限度地提高輸送到緩沖器的功率，而無(wú)需外部電路。版本可用于單個(gè)輸入或最多四個(gè)輸入。多輸入版本具有連接相似或不同類(lèi)型收割機的靈活性。因此，借助 OptiJoule 設備，可以擴展微能量收集能力，將單個(gè) PMIC 用于多種應用，甚至可以將能量收集技術(shù)的選擇推遲到產(chǎn)品開(kāi)發(fā)后期（如果需要）。

結論

通過(guò)優(yōu)化無(wú)線(xiàn)電協(xié)議、低能耗微處理器設計、低功率傳感器的發(fā)展以及微能量收集效率的提高，環(huán)境能量已成為幫助減少或消除對電池的依賴(lài)并延長(cháng)物聯(lián)網(wǎng)終端運行壽命的可行來(lái)源。在集成選定的微能量收集技術(shù)時(shí)，EH PMIC 的最新發(fā)展為管理尺寸、成本和復雜性提供了額外的靈活性。