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） 代表了一個高度互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)愿景，智能設(shè)備可以在這個網(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)的邊界延伸到單個嵌入式設(shè)備，旨在增加機器的互動性，這是常見的人類用戶通過智能手機、平臺電腦和計算機相互連接的范式的擴充。 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，遠超大多數(shù)電池技術(shù)所能供應(yīng)足夠電能的能力。 同時這些嵌入式設(shè)備的許多智能傳感器應(yīng)用需要相對少的元件（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)點就是一個將 MCU 與傳感器和無線連接子系統(tǒng)組合起來的簡單設(shè)備。 系統(tǒng)電源對于預(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，符合長壽命能量儲存設(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)和運輸部門許多 IoT 應(yīng)用可能允許使用太陽能操作，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、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、溫差和 RF 信號（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)建能夠從各個來源提取最大電能的能量收集型電源方面，設(shè)計師仍可能面臨種種挑戰(zhàn)，因為這些來源在不同時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能量轉(zhuǎn)換為電壓輸出，當工作在振動源的共振頻率且工作負載與壓電輸出阻抗匹配時就可以提取出最大的能量。 事實上，為確保最大程度地轉(zhuǎn)換能量，設(shè)計師需要考慮每一種轉(zhuǎn)換器類型的典型運行特性，所有這些決定在一個理想的最大功率點產(chǎn)生最大的電能（圖 3）

圖 3：為實現(xiàn)最大功率，設(shè)計師需要考慮換能器的功率輸出曲線，這對于變阻換能器（如太陽能電池 （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)）。

進一步加劇復雜性的是，電源子系統(tǒng)需要提供功率管理功能，以便為負載有效提供電能，同時還要有效管理儲能設(shè)備的充電和保護要求。 這些應(yīng)用中常用的鋰離子儲能設(shè)備需要精確控制，以免出現(xiàn)欠壓或過壓，否則可能會永久性損壞儲能設(shè)備。

面臨多種此類要求時，理想的能量收集電源本身可能就是一個高度復雜的系統(tǒng)，因為需要優(yōu)化才能實現(xiàn)從復雜的環(huán)境來源（如振動）中獲取最多的能量，要用復雜的負載響應(yīng)功率管理能力才能構(gòu)建（圖 4）。 此圖中，換能器輸入級使用了最大功率點跟蹤 （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，功率管理功能維護著儲能設(shè)備，同時響應(yīng)變化的功率需求。 在這些應(yīng)用中無線通信占了功率負載的大頭。 通過將通信占空比降到所需的最小水平，儲能設(shè)備就可以提供足夠的功率來應(yīng)對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最大化能量輸出所需的工作點，確保以最佳狀態(tài)向儲能設(shè)備和下游負載供電（感謝下一代能量收集、電子、工程和物理科學研究理事會提供數(shù)據(jù)）。

對于 IoT 器件設(shè)計師來說，在設(shè)計復雜的、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，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，并集成了儲能和負載管理所需的復雜功率管理功能。 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。 該器件能夠直接對儲能設(shè)備進行充電，提供過充電保護以及欠壓閉鎖，以防對儲能設(shè)備造成損壞。

Linear Technology 的 LTC3108 具有多種穩(wěn)壓輸出，提供一個 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不同固定電壓輸出水平中的一個。 該器件能夠為外部儲能設(shè)備充電，當輸入下降到預(yù)設(shè)閾值時能將負載自動切換到儲能設(shè)備。

工程師也可以找到現(xiàn)成的器件來實現(xiàn)多種專用、復雜的能量收集功能。 Cymbet CBC915 采用了能夠跟蹤最大功率點的集成 MPPT 功能，適用于各種各樣的變阻抗和恒阻抗換能器。 CBC915 設(shè)計與 Cymbet EnerChip? 器件（如 CBC050）一起使用，提供全面的充電管理和保護功能以及與同伴處理器進行狀態(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（圖 5）。 該器件會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。 其儲能管理功能集合了針對欠壓和過壓的儲能器件充電和保護功能。

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

其它專用器件目標針對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)計的 IC，工程師們能夠設(shè)計出各種新興 IoT 應(yīng)用，讓智能設(shè)備依靠包括太陽能、溫度、振動和 RF 能量在內(nèi)的環(huán)境能量來源支持數(shù)年的工作。