能量收集技术会促进物联网的快速增长吗？

随着智能的理念迅速应用到我们周围的许多“事物”，从灯泡、家用电器和汽车，到医疗传感器、工业设备，甚至整个城市，物联网（IoT）显然都正在其中快速应用。根据Gartner的分析数据，到2020年，物联网节点的数量预计将达到204亿个，相当于目前地球上人口数量的许多倍。

然而，物联网的发展并非一帆风顺。其中一个挑战是让这些数十亿的物联网设备每周7天，每天24小时全天候工作，而不管它们处的具体位置和何种应用。定期更换电池肯定要增大成本和人力资源投入。此外，这些设备需要增加的能源对环境的影响也需要认真考虑。

目前出现的一个新兴解决方案可以应对这些挑战，这种新技术即是能量收集。利用这项技术，可以从周围环境中捕获能量并转化为电能，能量的来源可能包括多种可能途径（如环境光、振动、热量或射频等），这些能量如果不加以利用也将白白浪费掉。

在物联网环境中，能量收集的目标不是产生大量的电能，而是在任何能找到少许能量的地方加以利用。以环境光为例，根据光源是在室外的还是在室内，收集的功率通常在10µW/cm2到10mW/cm2之间。运动产生的能量约为4μw/cm2至100μw/cm2，同样取决于能量来源（即运动是源于人还是机器）。类似，可从人体中提取的热能约为30μw/cm2，而从RF中提取的能量约为0.1μW/cm2。

简单来说，能源收集技术将能够使企业真正利用物联网中的能量，同时可节省原本要花费在电池上的投入和时间。根据市场研究公司IDTechEx的数据，到2022年，全球每年的能量收集收入将超过50亿美元。考虑到这项技术的未来增长趋势，它对于行业有哪些影响呢？

能量收集系统的构建模块

从本质上讲，能量收集分三个步骤：收集、调节和储存。传感器从能量源（如环境光、热、振动、压力、射频等）捕获能量并输出电能。接下来，电源管理IC调节输入电压以适应负载要求，然后将能量输送给存储设备（通常是超级电容器），该存储设备在低功率、间歇性主能源、高功率和连续负载之间起缓冲作用。

根据主能源的不同，能量采集系统使用不同类型的传感器。例如，光伏能源收集系统可以从室外和室内捕获光能，以补充甚至最终消除消费类和工业应用中的电池。同样，压电传感器在有压力或运动产生机械应力时能够产生电压，在汽车、飞机、自动化设备甚至人体振动中，这些传感器能够为许多物联网设备提供能量。来自Mide的PPA-1021是一个0.74mm厚的压电传感器，通过捕获振动能量在28.2V下产生4.5MW的直流输出。

通过利用废热，热电传感器在两种不同金属连接处存在温差时能够产生功率，这种现象被称为塞贝克（Seebeck）效应。Micropelt TE-CORE热收集模块用于收集本地可用的废热，并将其转化为电能。它在<10°C的温差下工作，能够提供1.8V～4.5V的可配置输出。

管理收集的功率

为了调节所收集的能量并保持连接负载的稳定电源，能量收集设备需要包括某种形式的电源管理集成电路（PMIC）。赛普拉斯（Cypress）的能量收集电源管理IC S6AE101A 专为超低功部署而设计，只需分别为250nA和1.2µW的工作电流和启动功率。通过使用该芯片，在大约100lx的低照度条件下，紧凑型太阳能电池可以提供足够的功率供物联网设备运行。如图1所示，它采用内置的开关控制可将产生的电能存储在输出电容器中。如果太阳能电池的电力不足以满足所连接的负载需求，电池储备的电力可以补充电力。作为一种免电池的无线传感器节点解决方案，它具有过压保护（OVP）机制，其应用包括用于供热通风与空气调节、照明和安全系统的无线传感器，以及蓝牙智能传感器等等。

图1：基于Cypress S6AE101A PMIC的太阳能功率收集电源管理系统。（来源：Cypress）

Linear Technology的LTC3588-2是另一款能量收集PMIC，设计用于直接与压电、太阳能或磁性传感器连接。它可以校正电压波形，并将收集到的能量存储在外部电容器上。LTC3588-2通过内部分流稳压器排出多余的功率，同时通过一个高效的纳米功率同步降压稳压器调节输出电压。它具有四个可选输出电压，分别为3.45V、4.1V、4.5V和5.0V，可提供高达100mA的连续输出电流。为了提供过压保护，该芯片包括一个设置为20V的输入保护分流器，其潜在应用包括胎压传感器以及移动资产跟踪等等。

为了充电和保护微功率存储设备，美信（Maxim Integrated）所提供的MAX17710 PMIC带有升压稳压电路。该芯片采用12引脚UTDFN封装，专门针对在能量采集场景中常见的稳压不良电源而进行了优化，适用的电压水平可低至0.75V。MAX17710 PMIC的功率输出值在1µW到100mW之间，还包括一个用于过充电保护的内部稳压器，提供给目标应用的输出电压通过低压降（LDO）线性稳压器进行调节，具有3.3V、2.3V或1.8V可选输出电压。输出稳压器能够在可选的低功率或超低功率模式下工作，以最大限度降低储能设备的功耗。

图2：通过Maxim MAX17710实现的用于充电微功率存储设备的能量收集系统。（来源：Maxim Integrated）

提供连续的稳定功率

超级电容器具有很高的储能能力，可为依赖于能量收集设备中的连续负载提供稳定的功率。Murata公司的DMH系列超级电容器具有高电容容量，可为此类设备提供能量缓冲和峰值功率辅助。这些超级电容器具有35mF的电容、4.5V的额定电压和300mΩ的静态电阻（ESR），封装大小为20mm x 20mm x 0.4mm，适用于空间和电池寿命受限的应用。这些超级电容器只具有薄纸的厚度，可以安装在钮扣电池下面，智能卡内部，或者设备屏幕后面，其关键应用包括可穿戴技术、零售系统、电子阅读器和低厚度I/O智能设备等。

开发新产品

eZ430-RF2500-SHE是德州仪器的太阳能收集开发工具，能够帮助设计工程师创建和测试一个永久供电的无线传感器网络。该工具采用超低功耗MCU，包括一个高效太阳能电池板，可提供足够的功率来为无线传感器应用供电，即使在室内照明条件下也不需要任何额外的电池。

Wurth Electronics提供的To Go Kit也是一个完整的开发工具，它通过一个封装可提供能量收集、能量管理和存储等功能。该套件包括一个太阳能电池板（32mm x 50mm）和一个热能发电机（thermos-generator）（40mm x 40mm）作为两个能量收集源，并配有一个采用48MHz ARM Cortex™M3内核的EFM32 Giant Gecko MCU。

随着能源收集技术在几乎所有领域都在展现出绿色能源的光明前景，研究人员正在努力探索新的可能应用。在这种背景下，密歇根大学的科学家们几乎达到了这项技术的核心，开发出了一种从人体心跳获取能量的装置，从而为起搏器或植入式除颤器提供能量，这一进展可以消除与关键医疗设备需要定期更换电池相关的风险和麻烦。同样，研究人员也在努力从人体热量、运动和振动中获取能量，以满足植入式物联网设备的功率需求。能源在我们周围有很多，但目前大多还不能有效作为电能利用。能源收集技术弥合了这一鸿沟，因此，它将在我们未来的所有努力中发挥重要作用。