微型能量收集技術(shù)無電池應(yīng)用方案

橋梁的安全監(jiān)控、零瓦待機、智能照明控制……等這些看似風(fēng)馬牛不相及的領(lǐng)域，今天，它們都將和一個概念--“微型能量收集（Energy Harvesting）”技術(shù)聯(lián)系在一起。微型能量收集技術(shù)雖然現(xiàn)在還沒有得到大規(guī)模商用，但已經(jīng)取得了重大技術(shù)突破，這為討論已久的“無電池”、“半永久續(xù)航”應(yīng)用的廣泛普及奠定了基礎(chǔ)。

富士通半導(dǎo)體最新推出的在微光條件下也可以實現(xiàn)97%轉(zhuǎn)換效率的光環(huán)境發(fā)電PMIC,并且此電源管理IC還可以實現(xiàn)低至0.35V的超低電壓啟動。這些技術(shù)上的突破使得以往處于概念階段的“無電池”、“半永久”應(yīng)用場景即將成為現(xiàn)實，并且為綠色節(jié)能應(yīng)用提供了更廣闊的想象空間。

富士通半導(dǎo)體的新一代節(jié)能環(huán)保技術(shù)

市場現(xiàn)狀與趨勢

“事實上，微型能量收集并不是一個全新的概念，它之所以一直沒有被真正的廣泛應(yīng)用的最大原因是其能量收集端所能收集到的能量和其實際能夠推動的能量消耗端所消耗的能量之間一直處于不平衡的狀態(tài)，簡單點說就是其收集的能量不夠用。可喜的是隨著傳感器、MCU、RF等器件功耗的不斷降低，以及微型能量收集電源管理IC技術(shù)的突破，使得系統(tǒng)能量收支逐漸趨于平衡?！备皇客ò雽?dǎo)體市場部高級經(jīng)理王韻介紹說。

而據(jù)日經(jīng)BP社的測算，這類應(yīng)用的能量收集和能量消耗情況在2010年和2011年階段的時候已經(jīng)非常接近，而2011年以后，他們認為微型能量收集技術(shù)所能收集的能量已經(jīng)完全可以用于能量消耗的部分。

另據(jù)美國Innovative Research and Products （iRAP）公司的調(diào)查顯示，到2014年，整個微型能量收集的市場規(guī)模將達到12.54億美元。而從2009年開始，其市場一直保持每年73%的高增長率。

英國的IDTechEx公司也曾提供數(shù)據(jù)：“能量收集與能源類相關(guān)設(shè)備市場規(guī)模將由2010年的4.4億美元增長至2020年的6.05億美元”,微型能量收集技術(shù)將成為一個非常有潛力的市場。

將無電池應(yīng)用變?yōu)楝F(xiàn)實

我們的生活圈中存在各種能量，如光、熱、無線電波和振動等，如下圖1所示。這些能量以太陽能、電磁、壓電等形式輸入能量收集電源管理IC（PMIC），用于能量收集。輸出功率可以用于傳感器、低功耗MCU或存儲在存儲元件中，如雙電層電容和全固態(tài)二次電池。

圖1: 能量收集系統(tǒng)配置。

富士通半導(dǎo)體及合作伙伴們一直在設(shè)想有哪些應(yīng)用方案可以使這些生活中隨處可見的能源被收集起來。王韻例舉了幾種非常有意思的能量收集應(yīng)用。如下圖2所示，這些應(yīng)用包括：無需鑰匙就能打開車門、水管理系統(tǒng)、無電池遙控、自定位系統(tǒng)等。

圖2: 微型能量收集技術(shù)可實現(xiàn)的無電池應(yīng)用例子。

日常生活中，這些應(yīng)用如果使用電池，就需要手動更換電池。電池確實是非常便宜，但是很多情況下對基礎(chǔ)設(shè)施的電池進行更換的費用往往代價昂貴，而且廢舊電池屬于污染物。那么，此時能量收集方案就是解決方案。

“對于微型能量收集的無電池應(yīng)用（batteryless），富士通半導(dǎo)體關(guān)注的重要領(lǐng)域之一就是在物聯(lián)網(wǎng)即所謂的傳感器網(wǎng)絡(luò)（sensor network）的應(yīng)用，幫助這類系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點（sensor node）以及用于通信的RF模塊實現(xiàn)半永久的供電?！?王韻進一步指出。

下圖3的三角形顯示了微型能量收集的無電池應(yīng)用在云業(yè)務(wù)中的3個層級，可以看到三角形的底層即是我們所講的傳感器節(jié)點，在中間層是一些網(wǎng)關(guān)，而這個三角形的頂部是云業(yè)務(wù)。

圖3:為什么需要無電池解決方案？

“在這個系統(tǒng)中需要數(shù)量龐大的傳感器節(jié)點，并且對其中的每個傳感器節(jié)點都要求能夠自由維護，并可以安裝在任何地方。這就決定了必須是無電池的解決方案。”王韻解釋道。

橋梁安全監(jiān)控等“半永久”傳感器網(wǎng)絡(luò)

文章開頭提及的橋梁安全監(jiān)控也是傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個實例。據(jù)不完全統(tǒng)計，最近五年內(nèi)中國倒塌的橋梁總共達有三十七座之多。其實不光是在中國，在美國、日本、歐洲，很多橋梁因為建造的問題，因為地質(zhì)變動的問題，因為老朽化的問題，多多少少都會存在一定的危險性。

橋梁的安全性問題迫使人們不得不對橋梁進行定期的或?qū)崟r的監(jiān)控。而現(xiàn)在能夠?qū)蛄哼M行實時監(jiān)控的方式之一就是將傳感器安放在橋梁上。但是新的問題又出現(xiàn)了，因為在橋梁上布電源線是非常不方便的，傳感器必須實現(xiàn)無線，按照現(xiàn)在的方式只能在傳感器內(nèi)部放一顆電池，可是放電池又遇到一個問題，即當(dāng)電池電量耗完后，必須有人到橋梁可能人都沒辦法爬進去的地方去換電池，這就逼迫大家必須考慮將環(huán)境能量收集過來實現(xiàn)“半永久”工作的傳感器網(wǎng)絡(luò)。

王韻認為，除了橋梁的安全監(jiān)控，能量收集技術(shù)在中國應(yīng)用最多的還將體現(xiàn)在其它一些基礎(chǔ)設(shè)施或建筑物上面，如下圖4所示，大樓、地下管道、大壩、工廠設(shè)備的安全監(jiān)控等都可以通過這種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的方式實現(xiàn)。

圖4:微型能量收集技術(shù)用于基礎(chǔ)設(shè)施中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

幫助實現(xiàn)“零瓦”待機這一新賣點

現(xiàn)在消費者對節(jié)能的要求越來越高，特別是崇尚綠色生活的歐洲用戶，非常厭惡使用電池的應(yīng)用。因此在家用電器方面，很多廠商都在努力實現(xiàn)0W待機，以獲得一個新的賣點和產(chǎn)品差異化特性。如機頂盒待機是從20W到10W到5W,到目前實現(xiàn)1W待機，以后要實現(xiàn)0W待機，但是0W待機在物理上是有限制的，要跨過這一步就必須采用微型能量收集技術(shù)來幫助實現(xiàn)，這是市場應(yīng)用的機會所在。

富士通半導(dǎo)體本次展示的一款PMIC就屬于微光太陽能采集芯片，能幫助實現(xiàn)0W待機。如在機頂盒或電視機上加上小小的一片太陽能電池板，幫助收集室內(nèi)的微弱光照，讓一顆MCU維持待機的功能，另外的主系統(tǒng)就真正實現(xiàn)關(guān)閉，這樣就真正實現(xiàn)了0W待機。“而以前的電視廠商都是通過電池來實現(xiàn)待機的，現(xiàn)在我們用太陽能電池板替換了電池的應(yīng)用，實現(xiàn)了無污染的零瓦待機。”王韻說。

用于智能照明控制，大幅降低樓宇耗電

“通常，我們會下意識的認為大樓里面能耗最大的是空調(diào)，冷氣或暖氣系統(tǒng)，但當(dāng)我們進行調(diào)查研究后，得出的結(jié)論竟然是樓宇里的照明才是耗電最大的部分。所以要降低整個大樓的能耗，就要首先從照明系統(tǒng)開始?！蓖蹴嵔榻B說。

圖5. 用于樓宇智能控制的“無線遙控器+LED照明”方案。

富士通半導(dǎo)體現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出了這方面的參考設(shè)計方案，如上圖5所示的“無線遙控器+LED照明”方案。圖中遙控器的供電是用無電池的方式實現(xiàn)，通過它可以控制照明，然后這個遙控器上又有一些光的傳感器，通過這些傳感器對外面亮度的感應(yīng)，可以自動調(diào)節(jié)燈的亮暗、開關(guān)。把這種應(yīng)用用到整個大樓，即當(dāng)把這個遙控器放在整個大樓的任何一個地方都可以實現(xiàn)對這一片區(qū)域燈光的控制。“采用這種智能方式對降低大樓的能耗是非常有效的?！蓖蹴嵄硎尽?/P>

兩項突破：0.35V超低電壓啟動支持微光太陽能以及可同時收集太陽能和震動能的雙模供電

現(xiàn)在讓我們回到富士通半導(dǎo)體的技術(shù)和產(chǎn)品本身，看看富士通半導(dǎo)體的環(huán)境發(fā)電PMIC有著怎樣獨特的性能及其意義所在。如下圖6所示，富士通半導(dǎo)體最新推出的兩款能量收集PMIC分別是用來進行太陽能電源管理/振動能量控制的超低功耗電路，以及支持太陽能超低輸入電壓的升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器。

圖6:富士通半導(dǎo)體最新推出了兩款環(huán)境發(fā)電PMIC.

用于光環(huán)境發(fā)電PMIC的太陽能超低電壓升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器是通過富士通半導(dǎo)體最新技術(shù)研發(fā)，可以實現(xiàn)低至0.35V的超低電壓的啟動。也就是在只有0.35V電壓輸入的時候，IC就可以開始工作，就可以升壓，給電池充電。例如以前某品牌推出過一款太陽能的手機，但這種手機的應(yīng)用非常不方便，因為只有在強光下才能給手機充電，但是不會有人把手機放到太陽光下去曬。而富士通半導(dǎo)體開發(fā)出了在微光條件下也可以實現(xiàn)97%轉(zhuǎn)換效率的光環(huán)境發(fā)電PMIC,這樣在微弱的光的條件下，也可以實現(xiàn)充電?！笆褂玫沫h(huán)境就完全變化了，從室外搬到室內(nèi)。這對客戶的實際應(yīng)用就有意義了。”王韻指出。

另外特別值得一提的是，這款芯片可以同時支持太陽能和震動的雙重模式。在太陽能供電不足或無光照條件下時，可以以震動作為能量來源，彌補了現(xiàn)有市場上同類產(chǎn)品無法同時收集2種能量來源的缺陷。

“富士通半導(dǎo)體非常期待最大限度的利用科學(xué)和自身的技術(shù)發(fā)展為能源再利用做出貢獻。除了上述所舉的橋梁、家電、照明控制等例子，任何用到電池的地方，我們都可以考慮用這種方式替換掉電池?！蓖蹴嵄硎?，“富士通半導(dǎo)體希望與業(yè)內(nèi)企業(yè)合作，開發(fā)出更多更好的微型能量收集技術(shù)應(yīng)用方案，使我們的生活更加便利和節(jié)能?！?/P>