作者：貿(mào)澤電子 Mark Patrick

隨著4G/5G通信技術(shù)的進步，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）會很快普及。這里有一組參考數(shù)據(jù)，IDC預測，到2022年，全球每年在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支出將達到1.2萬億美元（從現(xiàn)在到2022年的復合年增長率為13.6％）。此外，MarketsandMarkets Research預測，到2023年，將有172億個IoT節(jié)點和網(wǎng)關(guān)投入運營。但是，要使IoT真正普及，所有節(jié)點需要能夠在其可能位置（尤其是難以到達的位置）連續(xù)運行。在難以到達地點布置物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，可能使進行定期維護變得不切實際（或至少非常昂貴），更不用說進行緊急維修了。此外，還必須為數(shù)千個節(jié)點更換電池，并需要配備員工來進行此類電池更換等活動，這些都是擴展物聯(lián)網(wǎng)應用的主要障礙。

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)點自身內(nèi)部和周圍環(huán)境具備的潛在能源來產(chǎn)生電力。一種最容易得到的能量收集來源是太陽能，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)點在一天里只能有一半時間可以從陽光獲取能量。

通過收集周圍的RF能量，可以對基于電池的低功耗設(shè)備進行無線充電，而RF輻射來源則包括周圍數(shù)十億個無線電發(fā)射器、手機、電視/無線電廣播電臺等，也包括通過整流天線進行功率傳輸?shù)膶Ｓ肦F。同時，熱電能量收集器有望從電機、汽車發(fā)動機、燈泡甚至人體中獲取能量。另外，還可通過使用壓電方法從重型機械設(shè)備的振動、門的關(guān)閉或辦公樓的空調(diào)通風口等處獲取能量。

要確定合適的能源收集技術(shù)，取決于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點所處的環(huán)境，這使得難以設(shè)計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，例如太陽能與RF，或者熱量與RF。另一個需要考慮的問題是，在需要收集或釋放一些電能時，將小型、薄膜或印刷柔性充電電池與超級電容器結(jié)合使用是否最合適，或者完全放棄電池而僅使用超級電容器。

電池和超級電容器

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％。該電池的平均重量僅為0.86g，不含汞，保存壽命可長達10年（在23°C下保存）。它是基于Li/MnO2化學組分，在-40°C～60°C的工作溫度范圍內(nèi)具有25mAh的標稱容量和小于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)點內(nèi)任何其他可用空間。

智能電源管理

無論采用哪種能量源或儲能方法，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，這可以通過采用新推出的新型電源管理IC（PMIC）來實現(xiàn)。

ADI公司的LTC3588-2集成了一個低損耗全波（full-wave）橋式整流器和一個高效降壓轉(zhuǎn)換器。這種結(jié)合為工程師提供了一個完整且優(yōu)化的能量收集解決方案，可從各種不同能量源（包括壓電、機電和太陽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，只消耗830nA的超低輸入靜態(tài)電流，具有16V的電壓上升閾值，可實現(xiàn)高效的能量收集。UVLO閾值還可通過高效同步降壓調(diào)節(jié)器實現(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)壓時將輸入和輸出靜態(tài)電流降至最低。它可以通過選擇引腳設(shè)定四個輸出電壓，分別為3.45V、4.1V、4.5V和5.0V，同時具有高達100mA的連續(xù)輸出電流，使該器件非常適用于超級電容器以及鋰離子和LiFePO4電池。輸入保護分流功能可提供過壓保護（20V時下拉電流可高達25mA）。

圖1：LTC3588-2 典型應用。

賽普拉斯（Cypress）的S6AE101A能量收集PMIC專門用于微型太陽能電池供電的無線傳感器等應用，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)置的開關(guān)控件將隨附太陽能電池產(chǎn)生的功率存儲到輸出電容器，太陽能電池輸入引腳同時內(nèi)建有過壓保護。該PMIC采用3mm x 3mm SON-10封裝，具有1.2μW的啟動功率和最小至250nA的電流消耗，這樣能夠增加目標應用中用于感測、處理和通信功能的功率，可應用于諸如樓宇/工廠自動化和智能農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的BLE信標和無電池的無線傳感器等應用。

圖2：賽普拉斯S6AE101A。

Maxim Integrated的MAX17710能量收集充電器和保護器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)置有一個鋰電池充電器，可提供1nA的待機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）的電源進行充電。

圖3：MAX17710的簡化工作電路。