隨著企業(yè)追求數字化轉型，以及各種形式的智能生活成為提高生活質量和可持續(xù)性的關鍵，物聯網部署持續(xù)取得進展。
物聯網端點通常是傳感器，或者較少見的是執(zhí)行器，它們通過無線方式連接到聚合設備或互聯網網關。它們通常大量部署，在智能城市、智能工廠或智能農業(yè)等場景中，分散在廣闊的地理區(qū)域。進行現場維護(例如更換放電的原電池)的成本通常高得令人望而卻步。此外，廢棄的電池對環(huán)境造成的負擔越來越令人無法接受。
在設計端點時，工程師可以通過安排足夠的能量供應來維持設備的預期壽命來避免更換電池的需要。這可能是幾年的時間。由于大小的限制，硬幣細胞的形狀因子通常是可取的。如果儲存的能量沒有達到系統(tǒng)要求，可以選擇安裝一個更大的電池。
另一種選擇是重新設計電路，以減少整個系統(tǒng)的能源需求低于可用的電池存儲。任何一種方法，或兩者的結合，都可能無法達到目標。
微能量收集，以微瓦或毫瓦為單位，可以從周圍環(huán)境中捕獲有用且可能取之不盡的電能。這可以補充或替代原電池，具體取決于應用和可用的環(huán)境能量。收集和轉換的能量可能可以直接為電路供電。另一方面，將能量存儲在緩沖器中直到需要時才使用可能是一種更合適的方法。
無論如何，都需要一個合適的環(huán)境能源，能夠滿足應用的需求。在物聯網端點的各個子系統(tǒng)中，無線電對能源的需求最大。分析這里的需求，為能量收集系統(tǒng)的設計和集成提供參考，可能會很有啟發(fā)。
無線電子系統(tǒng)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。
如果傳感器距離聚合器或網關(例如連接到互聯網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 等技術可能比較合適，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較大的區(qū)域時，可能需要 LPWAN 或蜂窩連接。
要充分了解對系統(tǒng)整體能源需求的影響，還需要考慮占空比。智能電表等應用涉及每天或每隔幾天發(fā)送幾次小數據包。其他應用，如安全攝像頭，可能需要頻繁或連續(xù)發(fā)送大量數據。根據應用，可以通過在傳輸之前在系統(tǒng)內本地過濾數據來降低占空比;攝像頭可以安裝運動傳感器，僅在檢測到活動時開始記錄，或者嵌入式圖像處理可以丟棄不感興趣的數據。當然，必須將過濾數據所需的能量與通過降低占空比節(jié)省的能量進行比較，以確保凈收益。
環(huán)境能源
了解了無線子系統(tǒng)所需的能量和功率后，就可以評估合適的環(huán)境源和微能量收集技術。
適合為這些系統(tǒng)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量源往往不適合除最節(jié)儉的物聯網應用之外的所有應用。
面積為 35-40cm 2的太陽能電池可以產生約 0.5 瓦的電能，假設效率約為 20%。這些電池的批量價格不到 1 美元，而壓電收集器通常至少要貴一個數量級，而且產生的能量更少。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。
總結
利用這些技術進步，微型能量收集可被視為減少或消除物聯網端點電池使用量的解決方案。由于能量源本身通常不規(guī)則，且在物聯網設備需要傳輸或接收數據時不一定可用，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)。需要能量收集電源管理 IC (EH PMIC) 來處理來自收集子系統(tǒng)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。各種能量收集技術具有不同的電氣特性。熱電收集器在低電壓下產生連續(xù)直流電流，因此阻抗低。雖然太陽能電池也產生低直流電壓，電流，以及阻抗，隨著光照水平而變化。
目前市場上的典型 EH PMICS 具有固定的架構和輸入電壓范圍，設計用于與特定類型的收集器配合使用。如果單靠一個能源無法滿足系統(tǒng)要求，則無法使用替代收集器來捕獲額外的環(huán)境能量。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(tǒng)成本、尺寸和功耗，也會使設計復雜化。
一些 EH PMIC 可以使用外部電路進行修改，以調節(jié)能量收集器的輸出。但是，為了簡化系統(tǒng)設計，Trameto 的 EH PMIC(稱為 OptiJoule)提供可自主適應各種類型的連接收集器的輸入，并最大化傳輸到緩沖器的功率，而無需外部電路。有單輸入版本或最多四輸入版本。多輸入版本具有連接相似或不同類型的收集器的靈活性。因此，使用 OptiJoule 設備，可以擴展微能量收集容量，將單個 PMIC 用于多種應用，甚至可以在需要時將能量收集技術的選擇推遲到產品開發(fā)的后期。
結論
通過優(yōu)化無線電協議、低能耗微處理器設計、低功耗傳感器以及不斷提高的微能量收集效率，環(huán)境能量已成為一種可行的來源，有助于減少或消除對電池的依賴，并延長現場物聯網端點的使用壽命。EH PMIC 的最新發(fā)展在集成所選微能量收集技術時，可以更靈活地管理尺寸、成本和復雜性。
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