依靠環(huán)境能量來源為物聯(lián)網(wǎng)提供電能

物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 代表了一個(gè)高度互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)愿景，智能設(shè)備可以在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中交換數(shù)據(jù)，無需人工干預(yù)，這涉及到智能設(shè)備的環(huán)境的方方面面。 為這些設(shè)備供電就是一大挑戰(zhàn)，但其中一個(gè)好的方法就是能量收集解決方案。 使用已有的換能器和 IC，工程師可以設(shè)計(jì)出零能耗智能設(shè)備，來解決 IoT 所涉及的電能問題。

IoT 將互聯(lián)網(wǎng)的邊界延伸到單個(gè)嵌入式設(shè)備，旨在增加機(jī)器的互動(dòng)性，這是常見的人類用戶通過智能手機(jī)、平臺(tái)電腦和計(jì)算機(jī)相互連接的范式的擴(kuò)充。 與用戶系統(tǒng)不同，通過 IoT 連接的嵌入式設(shè)備必須使用自足式電源來操作，不要想著有人來監(jiān)控電源，更換電池，或?qū)⒃O(shè)備插到電源插座中。

在許多情況下，IoT 設(shè)備預(yù)期工作數(shù)年以上，遠(yuǎn)超大多數(shù)電池技術(shù)所能供應(yīng)足夠電能的能力。 同時(shí)這些嵌入式設(shè)備的許多智能傳感器應(yīng)用需要相對(duì)少的元件（圖 1）來將傳感器數(shù)據(jù)無線發(fā)送到其它智能設(shè)備或上游的服務(wù)器。

圖 1：在概念上，IoT 中的典型無線傳感器節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)將 MCU 與傳感器和無線連接子系統(tǒng)組合起來的簡(jiǎn)單設(shè)備。 系統(tǒng)電源對(duì)于預(yù)期將以無人值守方式工作數(shù)年的 IoT 設(shè)備來說可謂是挑戰(zhàn)巨大。（感謝 Texas Instruments 提供數(shù)據(jù)）。

隨著超低功耗元件和專用設(shè)備元件的出現(xiàn)，工程師們可以讓設(shè)備從環(huán)境來源提取足夠的能量來為系統(tǒng)供電（圖 2）。 這就是所謂的“零能耗”系統(tǒng)，能夠從環(huán)境獲取并儲(chǔ)存足夠的能量，無需傳統(tǒng)的電池，省去了麻煩的電池更換。

圖 2：對(duì)于 IoT 來說，能量收集電源子系統(tǒng)可以從環(huán)境來源提取電能，符合長(zhǎng)壽命能量?jī)?chǔ)存設(shè)備的峰值功率要求，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)年無人值守操作（感謝 Texas Instruments 提供數(shù)據(jù)）。

盡管工業(yè)和運(yùn)輸部門許多 IoT 應(yīng)用可能允許使用太陽(yáng)能操作，但是其中許多應(yīng)用在被監(jiān)視的環(huán)境中很可能被完全掩蓋的很深。 大多數(shù)的個(gè)人保健應(yīng)用中，智能傳感器被深藏在襪子、衣服和設(shè)備中。 消費(fèi)、零售、醫(yī)療和其它行業(yè)的類似應(yīng)用將依賴自身能力從振動(dòng)、溫差和 RF 信號(hào)（附近的無線能量來源正不斷增多）中提取足夠的電能。

不考慮環(huán)境能量的類型，在構(gòu)建能夠從各個(gè)來源提取最大電能的能量收集型電源方面，設(shè)計(jì)師仍可能面臨種種挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@些來源在不同時(shí)間的能量輸出差異巨大。 如壓電器件之類換能器用來將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電壓輸出，當(dāng)工作在振動(dòng)源的共振頻率且工作負(fù)載與壓電輸出阻抗匹配時(shí)就可以提取出最大的能量。 事實(shí)上，為確保最大程度地轉(zhuǎn)換能量，設(shè)計(jì)師需要考慮每一種轉(zhuǎn)換器類型的典型運(yùn)行特性，所有這些決定在一個(gè)理想的最大功率點(diǎn)產(chǎn)生最大的電能（圖 3）

圖 3：為實(shí)現(xiàn)最大功率，設(shè)計(jì)師需要考慮換能器的功率輸出曲線，這對(duì)于變阻換能器（如太陽(yáng)能電池 （a））和恒阻抗換能器（如熱電發(fā)電器和壓電器件 （a））來說差異很大（感謝 Cymbet 提供數(shù)據(jù)）。

進(jìn)一步加劇復(fù)雜性的是，電源子系統(tǒng)需要提供功率管理功能，以便為負(fù)載有效提供電能，同時(shí)還要有效管理儲(chǔ)能設(shè)備的充電和保護(hù)要求。 這些應(yīng)用中常用的鋰離子儲(chǔ)能設(shè)備需要精確控制，以免出現(xiàn)欠壓或過壓，否則可能會(huì)永久性損壞儲(chǔ)能設(shè)備。

面臨多種此類要求時(shí)，理想的能量收集電源本身可能就是一個(gè)高度復(fù)雜的系統(tǒng)，因?yàn)樾枰獌?yōu)化才能實(shí)現(xiàn)從復(fù)雜的環(huán)境來源（如振動(dòng)）中獲取最多的能量，要用復(fù)雜的負(fù)載響應(yīng)功率管理能力才能構(gòu)建（圖 4）。 此圖中，換能器輸入級(jí)使用了最大功率點(diǎn)跟蹤 （MPPT） 技術(shù)，以響應(yīng)共振頻率的變化，將換能器保持在理想的工作狀態(tài)。 在輸出級(jí)，功率管理功能維護(hù)著儲(chǔ)能設(shè)備，同時(shí)響應(yīng)變化的功率需求。 在這些應(yīng)用中無線通信占了功率負(fù)載的大頭。 通過將通信占空比降到所需的最小水平，儲(chǔ)能設(shè)備就可以提供足夠的功率來應(yīng)對(duì)功率需求中的周期性峰值，并能夠在下一次峰值需求到來前及時(shí)充電。

圖 4：理想化的能量收集電源要確保換能器維持在一個(gè)最大化能量輸出所需的工作點(diǎn)，確保以最佳狀態(tài)向儲(chǔ)能設(shè)備和下游負(fù)載供電（感謝下一代能量收集、電子、工程和物理科學(xué)研究理事會(huì)提供數(shù)據(jù)）。

對(duì)于 IoT 器件設(shè)計(jì)師來說，在設(shè)計(jì)復(fù)雜的、能夠?qū)崿F(xiàn)大多數(shù)此類功能的能量收集電源子系統(tǒng)時(shí)，能夠獲得專用器件將大大緩解與之相關(guān)的挑戰(zhàn)。 象 Maxim Integrated MAX17710 這樣的專用器件具有這些應(yīng)用所需的超低工作功率，并集成了儲(chǔ)能和負(fù)載管理所需的復(fù)雜功率管理功能。 與此類產(chǎn)品中的某些其它器件一樣，MAX17710 集成了升壓轉(zhuǎn)換器，可支持很低的電壓輸入源。 MAX17710 能夠從輸出功率水平低至 1 μW 的環(huán)境來源提取能量，同時(shí)提供可選的穩(wěn)壓輸出，包括 3.3、2.3 和 1.8 V，且?guī)в羞^放電保護(hù)。 該器件能夠直接對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行充電，提供過充電保護(hù)以及欠壓閉鎖，以防對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備造成損壞。

Linear Technology 的 LTC3108 具有多種穩(wěn)壓輸出，提供一個(gè) 2.2 V LDO 為外部微控制器供電，最大功率輸出可編程為四個(gè)不同固定電壓輸出水平中的一個(gè)。 該器件能夠?yàn)橥獠績(jī)?chǔ)能設(shè)備充電，當(dāng)輸入下降到預(yù)設(shè)閾值時(shí)能將負(fù)載自動(dòng)切換到儲(chǔ)能設(shè)備。

工程師也可以找到現(xiàn)成的器件來實(shí)現(xiàn)多種專用、復(fù)雜的能量收集功能。 Cymbet CBC915 采用了能夠跟蹤最大功率點(diǎn)的集成 MPPT 功能，適用于各種各樣的變阻抗和恒阻抗換能器。 CBC915 設(shè)計(jì)與 Cymbet EnerChip? 器件（如 CBC050）一起使用，提供全面的充電管理和保護(hù)功能以及與同伴處理器進(jìn)行狀態(tài)信息通信的能力，包括 EnerChip 充電狀態(tài)。

憑借內(nèi)置的電池和負(fù)載管理功能，Texas Instruments 的 BQ25504 也提供內(nèi)置的 MPPT 功能來將換能器保持在其最大功率點(diǎn)（圖 5）。 該器件會(huì)采樣輸入源的開路電壓，具體使用外部電阻器和外部保持電容來編程設(shè)定。 該器件的升壓轉(zhuǎn)換器支持低至 80 mV 的輸入電壓源。 其儲(chǔ)能管理功能集合了針對(duì)欠壓和過壓的儲(chǔ)能器件充電和保護(hù)功能。

圖 5：專為能量收集應(yīng)用設(shè)計(jì)的器件，如 Texas Instruments BQ25504，內(nèi)置使用 MPPT 技術(shù)進(jìn)行有效能量挖掘的功能，同時(shí)能夠管理儲(chǔ)能設(shè)備和下游的負(fù)載（感謝 Texas Instruments 提供數(shù)據(jù)）。

其它專用器件目標(biāo)針對(duì)基于特定換能器類型的能量收集應(yīng)用。 Linear Technology 的 LTC3588-1 集成了全波橋式整流和降壓轉(zhuǎn)換器，以最大程度地轉(zhuǎn)換來自高阻抗 AC 電源的能量，如壓電器件。 而且該器件完全支持全系列換能器類型。 盡管并未著眼于支持電池管理要求，但 LTC3588-1 仍可以將電荷儲(chǔ)存在外部電容器中，或配置成與備用電池一起工作。

結(jié)論

盡管 IoT 原則上能夠連接數(shù)十億的智能設(shè)備，但確保有足夠的電力來支持這些設(shè)備經(jīng)年累月的工作仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。 能量收集技術(shù)提供了一種特別適合這些智能設(shè)備預(yù)期工作條件的電源解決方案。 使用專為能量收集應(yīng)用設(shè)計(jì)的 IC，工程師們能夠設(shè)計(jì)出各種新興 IoT 應(yīng)用，讓智能設(shè)備依靠包括太陽(yáng)能、溫度、振動(dòng)和 RF 能量在內(nèi)的環(huán)境能量來源支持?jǐn)?shù)年的工作。