超低功耗 MCU 的能量收集如何消除電池

效率在本質(zhì)上至關(guān)重要。通過盡可能多地使用它來最大化額外資源的支出可以提高性能，可以最小化成本并減少浪費(fèi)。能量收集提供了一種使用環(huán)境能量為電氣設(shè)備供電的方法。對(duì)于包含電池的設(shè)備，能量收集可以延長電池的使用壽命或完全替代電池的能量貢獻(xiàn)。

超低功耗 (ULP) MCU 是能量收集的合理選擇。這些設(shè)備存在于可穿戴技術(shù)、無線傳感器和其他需要延長電池壽命的邊緣應(yīng)用中?；仡櫮芰渴占趯?shí)踐中的工作原理有助于了解能量收集如何支持 ULP MCU 的價(jià)值。

能量收集的工作原理

原則上，能量收集是一個(gè)簡單的概念。要解決的問題是主要能源（電池、燃料、電網(wǎng)）是有限的。此外，將此源功率轉(zhuǎn)換為可用能量并非 100% 有效，盡管有永久的環(huán)境能量可供捕獲。這就是為什么風(fēng)力渦輪機(jī)是一種可再生的大型能源。渦輪機(jī)從風(fēng)中接收勢能，使葉片圍繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)相連產(chǎn)生電能。其他大規(guī)模環(huán)境能源包括太陽能、海浪和地?zé)帷?/p>

可穿戴設(shè)備和無線傳感器等較小規(guī)模的技術(shù)可以收集動(dòng)能、熱能或環(huán)境電磁輻射能。這些形式中的每一種都使用不同的機(jī)制將源功率轉(zhuǎn)換為可用能量。每個(gè)來源的效用和實(shí)用性都是一個(gè)重要的考慮因素，因?yàn)閼?yīng)用可能會(huì)限制能量轉(zhuǎn)換所需設(shè)備的尺寸和質(zhì)量。

熱輻射對(duì)無線傳感器應(yīng)用很有用，因?yàn)閭鞲衅鞯脑O(shè)計(jì)和放置利用了兩種形式的能源。在車輛上，靠近道路的傳感器可以接受來自柏油路的輻射熱。相比之下，其他人可以利用來自高振動(dòng)位置的運(yùn)動(dòng)能量，例如靠近車輪或發(fā)動(dòng)機(jī)部件。對(duì)于超低功耗 MCU，從人類用戶的運(yùn)動(dòng)中回收的動(dòng)能是目前最實(shí)用的能量轉(zhuǎn)換形式。

超低功耗 MCU 的機(jī)遇

由于 ULP MCU 的主要應(yīng)用是可穿戴技術(shù)，因此以最低的系統(tǒng)功耗處理這些邊緣數(shù)據(jù)至關(guān)重要。能量收集減少了對(duì)可穿戴技術(shù)電池的能量需求，電池含有有限的能量，需要在電量耗盡后定期充電或更換。電池在處置方面也存在挑戰(zhàn)，因?yàn)殡姵亟M成材料不易回收。ULP MCU 能量收集器通過壓電、電磁或摩擦發(fā)電機(jī)捕獲動(dòng)能（機(jī)械）。

壓電式

“壓電”一詞源自希臘語，意為擠壓或擠壓。動(dòng)能壓縮壓電材料，產(chǎn)生電場。工程師根據(jù)預(yù)期的機(jī)械負(fù)載和電場密度選擇材料，并平衡其功率貢獻(xiàn)潛力與材料特性，這些特性會(huì)在電場存在時(shí)使材料變形。這些相互競爭的因素使設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化能量收集器對(duì)反復(fù)增加主電池功率的貢獻(xiàn)。一些估計(jì)表明，平均而言，動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)可為 ULP MCU 的主電源增加 10mW。

電磁輻射

另一種用于小型 MCU 的能量收集技術(shù)是電磁輻射。無線電、紅外線、紫外線和微波通過空氣攜帶輻射能。環(huán)境電磁波使磁場中的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，通過有意大小的磁鐵和氣隙設(shè)計(jì)將機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。這種方法為系統(tǒng)貢獻(xiàn)了大約0.3mW的收集功率。

摩擦納米發(fā)電機(jī)

ULP MCU 的最終轉(zhuǎn)換介質(zhì)是摩擦納米發(fā)電機(jī) (TENG)。該技術(shù)將[不同]材料應(yīng)用于承受機(jī)械運(yùn)動(dòng)（如旋轉(zhuǎn)、振動(dòng)、擺動(dòng)和膨脹/收縮）摩擦的表面。電極支撐這些材料，回收由材料摩擦產(chǎn)生的電荷不平衡（靜電）產(chǎn)生的能量。這種方法提供的補(bǔ)充功率比壓電低 10 倍，即大約1-1.5mW。

帶走

可穿戴技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，超低功耗 MCU 的日常應(yīng)用，消耗的功率大約為數(shù)十毫瓦。鋰離子電池是在合適的時(shí)間內(nèi)提供電力的絕佳選擇。然而，寒冷天氣的敏感性和用戶對(duì)延長電池壽命的需求推動(dòng)了當(dāng)前技術(shù)的極限。通過壓電、電磁輻射和摩擦電源收集機(jī)械能，可提供高達(dá) 10% 的輔助電池壽命。優(yōu)化電阻和電流負(fù)載技術(shù)，對(duì)該技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)最終可能會(huì)消除 ULP MCU 設(shè)備中對(duì)電池的需求。這是一場微型電池開發(fā)與增強(qiáng)動(dòng)力之間的競賽，無論哪種方式，消費(fèi)者都有望獲勝。

審核編輯黃昊宇