能量采集的前景及最新動向

能量收集：物聯網領域的新興技術

“能量收集技術是指把大自然中的一些能源收集起來轉化成電能給系統供電，這些能量主要包括動能、光能、電磁能、熱能的收集。”Spansion公司微控制器與模擬業務部門市場部營銷總監（上海）王鈺說。微型能量收集技術主要應用在物聯網的無線傳感器網絡、結構健康監測、植入式醫療監測、有源射頻傳感器及識別等方面。這些市場目前在中國正在迅速發展，而這些應用在電池的維護替換方面存在著不可避免的瓶頸，這也導致了能量收集技術在物聯網應用的不可或缺性。可以預見，在不遠的將來，能量收集技術必將成為中國物聯網領域的重要技術。

德州儀器（TI）電池管理市場與應用經理文司華博士認為，像消費類、工業類、醫療類、汽車類的產品中，電源是無處不在的，真正和我們今天課題相關的是如何適應更廣泛或更極端的應用場景，這些場景是消費類產品的基本趨勢，更大容量電池對于某些廠家不是特別適用，甚至沒有空間存放這個電池，更別說對電池進行快速充電，比較典型是醫療、倉儲、物聯網的應用，這種情況下，可能會強調一些對可穿戴式的、監控的傳感器網絡，這些應用難以獲得持續供電，只能從周圍環境或傳感器獲取能量。

當主電源不可用時，能量采集有助于延長設備的運行時間。便攜式設備就是要求延長運行時間的一種主要領域，如電話、多媒體播放器、手持射頻設備、POS掃描儀、便攜式醫療設備、工具、電動刮胡刀等。在一些新興國家，為手機充電是很成問題的，因為不是可以隨時找到電源的。因此，能量采集就變得非常有必要了，而且能量采集比安裝一整套電網要便宜很多。

包括建筑（如橋梁）、WSN（無線傳感網）和智能樓宇在內的無線傳感器網絡均為分布式網絡，其監控著如下物理參數：樓宇與橋梁的應力和疲勞性能、精準農業葡萄酒釀造廠及農場辦公室的溫度水分和濕度。在工廠也可以發現WSN的身影，其可用來遠程監控馬達或其它設備或工藝過程。遠程分布自供電無線設備具有廣泛的應用空間，涵蓋了從消費類電子、工業、政府到軍事的廣泛領域。

產品方案的選擇

能量采集組件具有極其微弱的輸出性能=高阻抗電源，因此需要輸入穩壓。電路需要具有極低的Iq，并且可適用廣泛的輸入/輸出組合。另外，主能源可能不是很穩定可靠——需要額外的存儲組件來渡過“黑暗時間”。 因此，如果需要連續運行的話，添加一個備用存儲組件（電容、電池）是很有必要的。

在決策使用哪種能量采集技術時，首先需要看一下各種潛在能源，如光能、熱能、振動能和RF能。除了可用于能量采集的各種技術之外，采用最為廣泛的是太陽能，其具有最高的潛在能量采集量（從室外的100mW/cm2到室內光照的0.1mW/ cm2）。熱能是第二大潛在能源，如：身體的熱量，電器和機器產生的熱量。振動能量也是一種潛在的能源，但是其潛在的能量不如光能和熱能。這只是對無線發送的電子信號能量獲取進行了討論，且對采集的能量估計也是較低的，目前來說不是一種切實可行的能量采集源。

我們處處需要系統級的電源方案，但最大的挑戰是，什么樣的電源才能適用于應用場景，電源無疑是很重要的。在任何情況下有面向該應用的最低功耗解決方案，德州儀器提供全套的技術方案，包括電源管理和高精度的模擬IC；另一方面，有非常低功耗的微控制器，低功耗的無線連接，包括Wi-Fi、Zigbee、Bluetooth以及1個Sub-1 GHz集成的芯片，要想低功耗控制器和無線連續，我們希望在能量采集概念范疇下，能從光、振動、熱量、RF上去獲取能量，為這些控制器進行供電。

日前，德州儀器 （TI） 宣布推出五款新一代電源管理集成電路，可高效提取和管理從光源、熱源或機械能源采集的微瓦 （uW） 至毫瓦 （mW）級電源。該 bq25570、bq25505、TPS62740、TPS62737 與 TPS62736 支持業界最低工作靜態電流，可為無線傳感器網絡、監控系統、可穿戴式醫療設備、移動附件等難以獲得供電的應用實現無電池工作。

能量收集是采集或收集周圍環境中釋放的微小能量，包括光和振動，并將之轉換為電能。除其他潛在應用外，能量收集還可以成為無線傳感器網絡中傳感器節點的電源，有助于低碳社會的實現。

Spansion的兩款新的電源管理IC在推動能量收集技術商業化方面發揮了重要作用。例如，MB39C811是非常高效的DC/DC降壓轉換器，內置了低損耗橋式整流器。通過優化電路布局，MB39C811以1.5μA靜態電流實現了超低功率運行，有助于傳感器件領域中無電池技術的成功開發。MB39C831是同步整流DC/DC升壓轉換器。為了鋰離子電池有效充電，該轉換器使用從單節或多節太陽能電池或熱電子發生器獲取的電力。