如何不用電池為物聯(lián)網(wǎng)供電

作者：貿(mào)澤電子 Mark Patrick

隨著4G/5G通信技術(shù)的進(jìn)步，以及智能設(shè)備能源效率的提高，這將意味著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）會(huì)很快普及。這里有一組參考數(shù)據(jù)，IDC預(yù)測(cè)，到2022年，全球每年在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支出將達(dá)到1.2萬(wàn)億美元（從現(xiàn)在到2022年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為13.6％）。此外，MarketsandMarkets Research預(yù)測(cè)，到2023年，將有172億個(gè)IoT節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)投入運(yùn)營(yíng)。但是，要使IoT真正普及，所有節(jié)點(diǎn)需要能夠在其可能位置（尤其是難以到達(dá)的位置）連續(xù)運(yùn)行。在難以到達(dá)地點(diǎn)布置物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，可能使進(jìn)行定期維護(hù)變得不切實(shí)際（或至少非常昂貴），更不用說(shuō)進(jìn)行緊急維修了。此外，還必須為數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)更換電池，并需要配備員工來(lái)進(jìn)行此類電池更換等活動(dòng)，這些都是擴(kuò)展物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的主要障礙。

立足現(xiàn)有，盡其所能

如今，作為一種可為超低功耗IoT應(yīng)用提供電源的方式，能量收集技術(shù)一直在被廣泛研究，它主要是利用節(jié)點(diǎn)自身內(nèi)部和周圍環(huán)境具備的潛在能源來(lái)產(chǎn)生電力。一種最容易得到的能量收集來(lái)源是太陽(yáng)能，利用光伏（PV）電池可將入射光的能量轉(zhuǎn)換為電能。其他潛在的能源包括射頻（RF）輻射、壓電和熱電等等。但是，由于這后幾張能源完全取決于周圍環(huán)境，所提供的電量非常低，并且往往不規(guī)律。

在光伏技術(shù)的開(kāi)發(fā)方面，已經(jīng)取得了很大成就，其中包括如何使其更加高效和更具有成本效益。例如，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出可以印刷在柔性材料上的光伏電池，能夠完美匹配相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備表面。盡管如此，該行業(yè)仍然面臨著一些非常明顯的困難，即節(jié)點(diǎn)在一天里只能有一半時(shí)間可以從陽(yáng)光獲取能量。

通過(guò)收集周圍的RF能量，可以對(duì)基于電池的低功耗設(shè)備進(jìn)行無(wú)線充電，而RF輻射來(lái)源則包括周圍數(shù)十億個(gè)無(wú)線電發(fā)射器、手機(jī)、電視/無(wú)線電廣播電臺(tái)等，也包括通過(guò)整流天線進(jìn)行功率傳輸?shù)膶Ｓ肦F。同時(shí)，熱電能量收集器有望從電機(jī)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、燈泡甚至人體中獲取能量。另外，還可通過(guò)使用壓電方法從重型機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)、門(mén)的關(guān)閉或辦公樓的空調(diào)通風(fēng)口等處獲取能量。

要確定合適的能源收集技術(shù)，取決于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)所處的環(huán)境，這使得難以設(shè)計(jì)一種通用的能量收集技術(shù)。在某些情況下，一種有效的解決方案或許是兩種能量收集技術(shù)的組合，例如太陽(yáng)能與RF，或者熱量與RF。另一個(gè)需要考慮的問(wèn)題是，在需要收集或釋放一些電能時(shí)，將小型、薄膜或印刷柔性充電電池與超級(jí)電容器結(jié)合使用是否最合適，或者完全放棄電池而僅使用超級(jí)電容器。

電池和超級(jí)電容器

Renata的 CP042350 3V薄膜原電池（primary cell）具有極低的外形和高度可彎曲的特性（可進(jìn)行1000次以上直徑為50mm的彎曲循環(huán)）。它的自放電率很低，每年僅為1％。該電池的平均重量?jī)H為0.86g，不含汞，保存壽命可長(zhǎng)達(dá)10年（在23°C下保存）。它是基于Li/MnO2化學(xué)組分，在-40°C～60°C的工作溫度范圍內(nèi)具有25mAh的標(biāo)稱容量和小于30Ω的內(nèi)部電阻。

村田制作所（Murata）的DMH系列超薄超級(jí)電容器采用20mm x 20mm x 0.4mm封裝，在-40°C～85°C的工作溫度范圍內(nèi)，所有組件均具有35mF的電容和4.5V額定電壓和300mΩ靜態(tài)電阻（ESR）。這些組件具備光滑的外形，能夠安裝在紐扣電池下面或節(jié)點(diǎn)內(nèi)任何其他可用空間。

智能電源管理

無(wú)論采用哪種能量源或儲(chǔ)能方法，都必須使收集的功率最大化，而耗散的功率則必須保持盡可能低，這可以通過(guò)采用新推出的新型電源管理IC（PMIC）來(lái)實(shí)現(xiàn)。

ADI公司的LTC3588-2集成了一個(gè)低損耗全波（full-wave）橋式整流器和一個(gè)高效降壓轉(zhuǎn)換器。這種結(jié)合為工程師提供了一個(gè)完整且優(yōu)化的能量收集解決方案，可從各種不同能量源（包括壓電、機(jī)電和太陽(yáng)能電池以及磁傳感器）獲取能量。LTC3588-2在處于欠壓鎖定（UVLO）模式時(shí)，只消耗830nA的超低輸入靜態(tài)電流，具有16V的電壓上升閾值，可實(shí)現(xiàn)高效的能量收集。UVLO閾值還可通過(guò)高效同步降壓調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)輸入到輸出電流的倍增。降壓轉(zhuǎn)換器具有休眠狀態(tài)，可在調(diào)壓時(shí)將輸入和輸出靜態(tài)電流降至最低。它可以通過(guò)選擇引腳設(shè)定四個(gè)輸出電壓，分別為3.45V、4.1V、4.5V和5.0V，同時(shí)具有高達(dá)100mA的連續(xù)輸出電流，使該器件非常適用于超級(jí)電容器以及鋰離子和LiFePO4電池。輸入保護(hù)分流功能可提供過(guò)壓保護(hù)（20V時(shí)下拉電流可高達(dá)25mA）。

圖1：LTC3588-2 典型應(yīng)用。

賽普拉斯（Cypress）的S6AE101A能量收集PMIC專門(mén)用于微型太陽(yáng)能電池供電的無(wú)線傳感器等應(yīng)用，其中使用的光伏電池可小至1cm2。S6AE101A覆蓋2V～5.5V的輸入電壓范圍，輸出電壓可配置在1.1V～5.2V之間。這些PMIC均使用內(nèi)置的開(kāi)關(guān)控件將隨附太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的功率存儲(chǔ)到輸出電容器，太陽(yáng)能電池輸入引腳同時(shí)內(nèi)建有過(guò)壓保護(hù)。該P(yáng)MIC采用3mm x 3mm SON-10封裝，具有1.2μW的啟動(dòng)功率和最小至250nA的電流消耗，這樣能夠增加目標(biāo)應(yīng)用中用于感測(cè)、處理和通信功能的功率，可應(yīng)用于諸如樓宇/工廠自動(dòng)化和智能農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的BLE信標(biāo)和無(wú)電池的無(wú)線傳感器等應(yīng)用。

圖2：賽普拉斯S6AE101A。

Maxim Integrated的MAX17710能量收集充電器和保護(hù)器IC集成了從周圍環(huán)境收集能量的所有電源管理功能，可提供1μW～100mW的功率輸出。MAX17710內(nèi)置有一個(gè)鋰電池充電器，可提供1nA的待機(jī)IQBATT，625nA的線性充電電流和1μW的快速充電功率。這些IC采用3mm x 3mm x 0.5mm UTDFN封裝，支持1.8V、2.3V或3.3V的低壓降（LDO）電壓。升壓穩(wěn)壓器電路可使其從低至0.75V（典型值）的電源進(jìn)行充電。

圖3：MAX17710的簡(jiǎn)化工作電路。