能量收集技术：助力嵌入式系统实现超长使用寿命

许多无法接入市电的嵌入式系统依赖电池供电，但电池更换不仅会产生维护成本，还面临诸多后勤实施难题。能量收集技术可为这类系统持续供电，实现长期无间断运行。本文将阐释如何利用能量收集技术构建永久运行的嵌入式系统，并总结芯科科技推出的相关解决方案。

设计面向永久运行的能量收集系统

对于嵌入式设计工程师而言，能量收集技术正成为一种切实可行的供电方案，让无线传感器得以应用在以往仅靠电池供电无法实现的场景中。例如，借助能量收集供电，超薄无线传感器的传输距离可突破 100 米，使用寿命能超过 20 年。

能量收集系统的终极设计目标是实现永久运行，这一目标的达成条件为：系统收集的能量总量达到或超过其运行过程中的能量消耗总量。电源管理是该类系统设计的核心环节，首要步骤是确定能量收集器的可用输出功率。能量收集器可将太阳能、机械能、热能等能量源转化为电能，其中太阳能收集器的功率密度最高，单位表面积的输出功率可达 15 毫瓦 / 平方厘米。最大化收集器的输出功率，是打造高效能量收集系统的关键。

在该类系统的设计过程中，工程师需在实现系统所需功能的同时，将功耗降至最低。选择低漏电器件、采用芯科科技 Si10xx 系列无线微控制器这类超低功耗微控制器，有助于实现系统整体低功耗运行。电池供电系统中采用的大多数低功耗技术，同样适用于能量收集系统。

以一款太阳能无线传感器节点为例：该节点每 20 分钟传输一次数据，平均发射电流为 10 微安；白天时，太阳能电池板可提供 50 微安的持续输出电流，因此白天的净充电电流为 40 微安，而夜间电池的放电电流为 10 微安。经计算，若该系统每天能获得至少 4.8 小时的光照，收集的能量即可支撑其实现永久运行。

计算公式推导：

设 D = 每日光照时长（小时）

N = 每日夜间时长（小时）

能量平衡条件：收集能量 = 消耗能量

即 40μA × D = 10μA × N

每日总时长为 24 小时：D + N = 24

联立方程可得：D + 4D = 24 → 5D = 24 → D = 4.8 小时，N = 19.2 小时

两类系统：平衡平均功耗与脉冲式能量收集

能实现永久运行的能量收集系统，根据能量存储机制的不同，大致可分为两类。

第一类：通过薄膜电池这类低漏电、高容量的储能器件，实现能量的长期累积。这类系统通过平衡平均收集能量与平均消耗能量实现永久运行，设计灵活性较高，可支持偶尔的高功率脉冲式工作。系统大部分时间处于低功耗休眠模式，保持通电状态并持续收集能量，前文提到的太阳能无线传感器节点便属于此类。

第二类：系统平时处于断电状态，直至检测到能量脉冲后，将能量收集并储存至电容器这类低阻抗储能器件中。完成短暂的上电与复位后，系统利用收集到的有限脉冲能量执行指定功能。这类系统通过平衡单次任务消耗的总能量与单次脉冲收集的能量实现永久运行，无线轻触式开关就是典型案例 —— 该设备利用按压按键产生的机械能，向灯具端的接收器发射射频信号。

多年来，纽扣电池、AA 型锂电池、锂亚硫酰氯电池等传统电池一直被用于长寿命嵌入式系统。薄膜电池的问世，让工程师能在成本、尺寸与安全性之间做出新的权衡。尽管价格低廉的纽扣电池能降低制造成本、缩短产品上市周期，但在产品全生命周期中，电池更换会产生隐性成本。

从终身容量来看，一块薄膜电池所能提供的总能量，相当于多节 CR2032 纽扣电池。在嵌入式系统的整个生命周期内，薄膜电池的初期投入成本，远低于多次更换纽扣电池的累积成本。

薄膜电池是所有电池类型中外形最薄的，厚度可低至 0.17 毫米左右，其终身总容量堪比 4 节 AA 型锂电池或 1 节 C 型锂亚硫酰氯电池，非常适合对空间要求严苛、需要超薄外形且长续航的嵌入式系统。

此外，薄膜电池还能规避传统大容量电池的部分安全隐患，如易燃、爆炸风险。薄膜电池支持充电，且任一时刻的实际储能量仅为其终身总容量的一小部分，因此在短路、高温等极端情况下，产生的危险系数更低。与常被直接丢弃在垃圾填埋场、难以回收的传统大容量电池相比，薄膜电池产生的废弃物也更少，更具环保性。

参考设计加速产品开发进程

功耗仍是电池供电物联网设备的核心设计约束，行业为降低设备功耗做出了诸多努力，制定了一系列适配能量收集技术的标准与框架，无线通信领域的 Zigbee 绿色能源标准便是其中之一。

芯科科技与艾睿电子基于芯科 EFR32MG22 片上系统，联合开发了一套能量收集参考设计，将 Zigbee 绿色能源轻触式开关与能量收集电源管理技术相结合。EFR32MG22 专为 Zigbee 应用设计，封装尺寸小巧且集成安全功能，非常适合超低功耗终端设备。芯科科技还推出了 EFP0111 等低功耗电源管理集成电路，为能量收集系统的电源管理提供支撑；同时提供开发套件与 Simplicity Studio 集成开发环境，助力工程师研发能量收集系统。

该参考设计的核心能量源为机械能收集器，采用采埃孚双稳态发电机模块。这是一款双向开关发电机，意味着按压和释放开关的过程均可产生能量：开关内置一个两极磁铁，按压开关时，磁通量穿过磁芯并回到另一极；释放开关时，磁场发生变化并沿相反方向穿过磁芯，变化的磁场会感应产生可被收集的电流。采埃孚发电机在开关按压和释放时均会产生交流电压，系统利用这些机械能为灯具接收器供电，实现开关与灯具之间的无布线控制。

物联网设备的供电能耗较高，无电池供电方案不仅能简化设备设计，还能降低对环境的影响。例如，在部分低功耗系统中，让一颗 LED 灯闪烁一次所需的能量，足以支持多次射频数据包的传输。低功耗芯片设计与低功耗优化网络相结合，为电源管理提供了全新思路，同时能为制造商和消费者降低成本、减少废弃物产生。

高性能、低功耗的电源管理器件

芯科 EFR32MG22 系列片上系统

该系列是专为 Zigbee 应用优化的器件，适用于智能家居传感器、照明控制、楼宇与工业自动化等场景，核心设计重点为实现高效节能。

EFR32MG22 与 EFR32MG22E Zigbee 片上系统解决方案，均属于无线壁虎二代平台。MG22 系列集成了高性能、低功耗的 76.8 兆赫 ARM Cortex-M33 内核，并搭载 TrustZone 安全架构；MG22E 版本进一步提升了能效，可支持更长的电池续航，甚至适配无电池设计。该系列片上系统具备低发射与接收电流（+6 分贝毫瓦下，发射电流 8.2 毫安、接收电流 3.9 毫安）、1.4 微安的深度休眠模式，同时集成低功耗外设，可完美支持包括绿色能源在内的各类 Zigbee 应用。

EFP0111GM20 电源管理集成电路

这是一款灵活、高效的多输出电源管理器件，可为 EFR32 与 EFM32 系列器件提供完整的系统供电，集成三路输出电压轨与主电池电量计量功能。该款升压启动型电源管理集成电路的工作电压范围为 1.7 伏至 5.2 伏，待机电流低至 150 纳安，支持 1.5 伏至 5.5 伏的电池供电，可针对不同化学体系的电池优化供电效率。

Si10xx 系列亚千兆赫无线微控制器

该系列器件将高性能射频模块与超低功耗微控制器集成在 5×6 毫米的小巧封装中，支持 142 兆赫至 1050 兆赫的工作频段，内置先进的数据包引擎，链路预算可达 146 分贝。通过降低发射、接收、工作及休眠状态下的电流，并支持快速唤醒，该系列微控制器能为电池供电应用实现能耗优化。其中 Si106x 与 Si108x 型号引脚兼容，闪存容量为 8 至 64 千字节，集成模数转换器、双比较器、定时器、通用输入输出口等高性能模拟和数字外设，专为 802.15.4g 智能计量应用设计，同时兼容美国联邦通信委员会、欧洲电信标准协会、日本无线工业及商贸联合会等全球主流监管标准。

结语

能量收集技术已成为众多嵌入式系统的实用供电选择，且有望在未来几年得到更广泛的应用。只要解决了初始上电复位的相关难题，设计合理的能量收集系统就能实现永久运行；通过精细化的系统设计，能量收集系统的部署寿命可达到 20 年甚至更久。

薄膜电池凭借超薄的外形与低漏电特性，已成为能量收集系统中替代原电池与可更换电池的常用器件，为嵌入式系统开发开辟了全新的应用可能。而 EFR32MG22 Zigbee 片上系统、EFP0111GM20 电源管理集成电路、Si10xx 亚千兆赫无线微控制器这类器件，所具备的电源管理与低功耗无线通信能力，能支撑嵌入式系统长期稳定运行，无需频繁更换电池。