能量收集有助于改進邊緣物聯網設備

2021-10-24

能量收集有助于改進邊緣物聯網設備

如果我們想提高生活質量并確保長期可持續性，智能生活是一個至關重要的方面。這就是為什么企業正在轉向數字化轉型并且物聯網項目正在取得進展。最流行的物聯網端點是傳感器，或者不太常見的執行器，它們以無線方式連接到聚合設備或互聯網網關。在智慧城市、智慧工業或智慧農業等環境中，它們通常會大量部署并覆蓋較大的地理區域?，F場維護，包括更換用完的電池，是一個昂貴的過程，而放電的電池代表著一個非常大的環境問題。在端點的設計過程中，工程師可以通過提供足夠的能量來延長設備的預期壽命，從而避免更換電池，這可能需要一些時間。由于尺寸限制，紐扣電池外形通常是首選。如果存儲的能量不能滿足系統的要求，用更大的電池替換電池可能是一個很好的解決方案。另一種選擇是重新設計電路，以將系統總能耗降低到可用單元存儲以下。一種或兩種策略，或兩者的組合，可能無法達到預期的結果。微瓦或毫瓦范圍內的微能量收集可以提供有用且可能無限的從周圍環境收集的電能供應。根據應用和可用的環境能量，這可以補充或替代原電池。電路可能直接由捕獲和轉換的能量供電。另一方面，在需要之前將能量存儲在緩沖器中可能是更好的選擇。在任何情況下，都需要能夠滿足應用需求的適當環境能源。

在任何情況下，都需要合適的環境能源，能夠滿足應用的需要。在物聯網端點的各個子系統中，無線電的能源需求最大。分析這里的需求，為能量收集系統的設計和集成提供信息可能是有益的。

無線電子系統功耗

選擇最合適的無線技術以盡可能低的功耗提供所需的數據速率和通信范圍至關重要。

如果傳感器的位置距離聚合器或網關（例如連接到 Internet 或通過本地電信交換機的集線器或路由器）只有很短的距離，則藍牙、Zigbee 或 Wi-Fi 等技術可能是合適的，具體取決于所需的數據速率以及成本限制。在其他情況下，例如端點分布在地理上很大的區域，可能需要 LPWAN 或蜂窩連接。圖 1 比較了物聯網應用中使用的主要技術的功耗、數據速率、典型最大范圍和相對成本。

圖 1：流行的物聯網無線通信技術的比較。

范圍、數據速率和功耗也可以用數字表示，以幫助直接比較。如圖 2 所示，無線子系統的功耗可低至 150μW 至 400mW。

圖 2：數據速率、帶寬和功耗之間的比較。

要充分了解對系統整體能源需求的影響，還需要考慮占空比。智能公用事業儀表等應用涉及每天或每隔幾天發送幾次小數據包。其他設備（例如安全攝像頭）可能需要頻繁或連續發送大量數據。根據應用的不同，可以通過在傳輸之前在系統內本地過濾數據來減少占空比；相機可能裝有運動傳感器，僅在檢測到活動時才開始記錄，或者嵌入式圖像處理可能會丟棄無趣的數據。當然，過濾數據所需的能量必須與降低占空比節省的能量進行比較，以確保凈收益。

環境能源

了解無線子系統所需的能量和功率后，就可以評估合適的環境源和微能量收集技術。

適合為這些系統供電的主要微型能量收集技術是太陽能電池陣列、由振動激活的壓電或靜電轉換器，以及將溫度梯度轉換為電動勢 (EMF) 的珀爾帖設備。通過貼片或線圈天線捕獲的射頻能源往往不適用于除最節儉的物聯網應用之外的所有應用。圖 3 比較了與這些技術相關的典型能量密度。使用此信息，可以通過評估可用組件的尺寸和性能來選擇技術并開始制定規范。

圖 3：收集的環境能源的功率密度。

面積為 35-40cm 2 的太陽能電池 可產生約 0.5 瓦的功率，假設效率約為 20%。這些產品的每臺售價不到 1 美元，而壓電采集器通常至少要貴一個數量級，并且產生的能量更少。眾所周知，太陽能電池在室內使用時效率較低。然而，最近推出了一些室內太陽能收集器，聲稱可以為低功率無線電提供足夠的輸出。

把這一切放在一起

利用這些進步，微能量收集可以被視為減少或消除物聯網端點電池的解決方案。因為當物聯網設備需要傳輸或接收數據時，能源本身通常是不規則的并且不一定可用，因此通常需要能量緩沖器或存儲設備。這可以是可充電電池或電容器（或超級電容器）。需要一個能量收集電源管理 IC (EH PMIC) 來處理來自收集子系統的能量，管理提供給能量緩沖器的電荷，并在需要時為負載供電，如圖 4 所示。各種能量收集技術具有不同的電氣特性。熱電采集器在低電壓下產生連續的直流電流，因此具有低阻抗。雖然太陽能電池也會產生低直流電壓

圖 4：EH PMIC 處理能量緩沖器的充電和應用供電

當今市場上的典型 EH PMICS 具有固定的架構和輸入電壓范圍，旨在與特定類型的采集器配合使用。如果單獨的一個來源不能滿足系統要求，這就排除了使用替代收集器來捕獲額外的環境能量的可能性。因此，如果需要多個能源，則每個能源都需要一個專用的 EH PMIC。這會增加系統成本、尺寸和功耗，并且還會使設計復雜化。

一些 EH PMIC 可以使用外部電路進行修改，以調節能量收集器的輸出。然而，為了簡化系統設計，Trameto 的 EH PMIC（稱為 OptiJoule）提供的輸入可以自動適應各種類型的連接采集器，并最大限度地提高輸送到緩沖器的功率，而無需外部電路。版本可用于單個輸入或最多四個輸入。多輸入版本具有連接相似或不同類型收割機的靈活性。因此，借助 OptiJoule 設備，可以擴展微能量收集能力，將單個 PMIC 用于多種應用，甚至可以將能量收集技術的選擇推遲到產品開發后期（如果需要）。

結論

通過優化無線電協議、低能耗微處理器設計、低功率傳感器的發展以及微能量收集效率的提高，環境能量已成為幫助減少或消除對電池的依賴并延長物聯網終端運行壽命的可行來源。在集成選定的微能量收集技術時，EH PMIC 的最新發展為管理尺寸、成本和復雜性提供了額外的靈活性。