能量收集技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電的現(xiàn)狀及趨勢

近年來，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展吸引了大量投資，尤其是在機(jī)對機(jī) （M2M） 接口技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)指的不僅是通過互聯(lián)網(wǎng)連接個(gè)人電腦和智能手機(jī)，還包括數(shù)十億“物體”與設(shè)備之間的連接。然而，如何為這數(shù)十億設(shè)備供電是設(shè)計(jì)工程師目前著力思考的難題并需要尋求出行之有效的解決方案。盡管傳統(tǒng)電池電源能夠解決供電問題，但必須經(jīng)過采購、維護(hù)和后期處理程序。而且，當(dāng)設(shè)備安裝在偏遠(yuǎn)位置時(shí)，更加大了維護(hù)電源的難度。
　　作為替代方案，能量收集技術(shù)能夠?yàn)檫b距物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和傳感器直接供電，并帶來巨大效能。目前市場上已有幾種可行的技術(shù)，大部分已經(jīng)開始投入部署應(yīng)用。其中包括能量收集PMIC 產(chǎn)品和大量低功耗的微控制器，能夠滿足遙距物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的供電需求，從而推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)增長。
　　有了能量收集解決方案，電子系統(tǒng)就能夠在沒有傳統(tǒng)電源的情況下獨(dú)立運(yùn)作。然而，無論這種方案多么的方便和靈活，能量收集技術(shù)還是具有一定的多面性和局限性的。這是一個(gè)可行的解決方案，但絕不是一個(gè)簡單的方案，必須從功率分配的角度精心挑選 PMIC 產(chǎn)品和能量儲(chǔ)存設(shè)備。此外，能量收集效率也是能量收集設(shè)備設(shè)計(jì)的重要因素。
　　本文將介紹能量收集、能量儲(chǔ)存和電源管理解決方案的優(yōu)點(diǎn)、構(gòu)建以及發(fā)展趨勢。
　　能量收集是什么？
　　能量收集指的是收集環(huán)境中容易獲得的少量非傳統(tǒng)能量并將之轉(zhuǎn)化為電能的過程。獲取的電量可直接使用或儲(chǔ)存下來留作未來使用。對于無法使用本地電網(wǎng)的遙距部署設(shè)備，能量收集解決方案在為各類電子設(shè)備提供可替代電源方面表現(xiàn)出卓越的效果。
　　所收集的能量可來自于無線電能量（RF 源）、壓電元件的振動(dòng)動(dòng)能、壓力能或者光電電池的光能。接著將收集到的能量轉(zhuǎn)化為電能，并儲(chǔ)存在耐用儲(chǔ)存電池中，如電容器。能量收集系統(tǒng)通常包括用于產(chǎn)生或獲取能量的電路，以及配有用于電源管理和保護(hù)的附加電路的存儲(chǔ)裝置。
　　能量收集技術(shù)應(yīng)用不僅限于延長物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電池壽命，還可以用作工業(yè)、商業(yè)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用的替換電源，如可穿戴電子產(chǎn)品、可植入設(shè)備、遠(yuǎn)程腐蝕監(jiān)測和結(jié)構(gòu)檢測等。
　　為什么能量收集對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來說如此重要？
　　物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展已經(jīng)成為最具潛力、盈利最豐厚的市場機(jī)遇，預(yù)測到 2020 年，將會(huì)有超過 300 億臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。在不久的將來，幾乎每一臺(tái)設(shè)備，從傳感器、儀器、汽車、可穿戴電子產(chǎn)品以及溫度調(diào)節(jié)器、冰箱等嵌入式系統(tǒng)都將會(huì)連接到互聯(lián)網(wǎng)。
　　理想狀態(tài)下，這數(shù)十億件小型便攜的設(shè)備將連接至無線網(wǎng)絡(luò)并擁有較長的使用壽命。電池似乎是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，但要在小型裝置內(nèi)安裝電池，通常都不太可行。此外，電池維護(hù)和更換的成本也不低?？紤]到我們需要充足的電源，能量采集將會(huì)是解決電池問題的可行方法。實(shí)際上，能量收集能夠支撐電子系統(tǒng)依靠環(huán)境電源運(yùn)作幾年。
　　能量收集的基本構(gòu)建模塊
　　能量收集系統(tǒng)的基本構(gòu)建模塊通常包括：
　　換能器和轉(zhuǎn)換電路：換能器從不同的電源中獲取非傳統(tǒng)能量，并轉(zhuǎn)化為電能。典型的換能器示例包括：光電電池轉(zhuǎn)化光能、熱電裝置轉(zhuǎn)化熱能、壓電元件轉(zhuǎn)化振動(dòng)動(dòng)能等等。
　　能量儲(chǔ)存設(shè)備：例如電池和超級電容器，可用于儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化生成的電能。
　　電源管理電路：電源管理電路由一個(gè)穩(wěn)壓器組成，根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)行電源管理。
　　
　　圖1：能量收集系統(tǒng)的基本構(gòu)建模塊
　　現(xiàn)今的發(fā)展趨勢與技術(shù)
　　如前所述，我們可以從各種不同的非傳統(tǒng)能量中收集電能，如太陽光、射頻信號和振動(dòng)動(dòng)能等。每一種類型的能量收集都需要電源轉(zhuǎn)換電路、能量儲(chǔ)存設(shè)備和 PMIC 產(chǎn)品。
　　收集太陽能：小型太陽能電池含有光電電池，能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)化成電能。然而，對室內(nèi)應(yīng)用來說，環(huán)境光通常不是非常強(qiáng)烈，強(qiáng)度一般約為 10 μW/cm2。室內(nèi)能量收集系統(tǒng)收集的能量受到太陽能模塊尺寸大小、環(huán)境光強(qiáng)度及光譜組成的限制。通常來說，太陽能電池收集的電能可以用于電池或超級電容器的充電，從而為設(shè)備提供穩(wěn)定的電源。如今，此類太陽能電池已廣泛應(yīng)用于消費(fèi)者應(yīng)用和工業(yè)應(yīng)用中，如玩具、手表、計(jì)算器、路燈、移動(dòng)電源和衛(wèi)星。
　　收集動(dòng)能：壓電換能器受到振動(dòng)和移動(dòng)時(shí)能夠產(chǎn)生電能。因此，設(shè)備能夠?qū)⒄駝?dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為 AC 電壓，AC 電壓經(jīng)過調(diào)整后，向系統(tǒng)提供電力。有多種不同的方法可以收集來自動(dòng)能的能量。例如，用戶按下遙控器按鈕時(shí)產(chǎn)生的能量可以收集起來用于發(fā)送一個(gè)低耗能的無線電信號。同樣地，當(dāng)有人走過時(shí)，安裝在地磚底下的壓電換能器也能產(chǎn)生電能，可以為小型顯示屏或緊急燈供電。