隨著組織追求數字化轉型，物聯網部署繼續取得進展，各種形式的智能生活是提高生活質量和可持續性的關鍵。

物聯網端點往往是傳感器，或者不太常見的是無線連接到聚合設備或互聯網網關的執行器。它們通常大量部署，并且在智能城市，智能工廠或智能農業等場景中，分散在較大的地理區域內。進行現場維護的成本通常高得令人望而卻步。此外，廢棄的電池代表著越來越不可接受的環境負擔。

在設計端點時，工程師可以通過安排足夠的能量供應來延長器件的預期壽命，從而避免更換電池的需要。這可能需要幾年時間。由于尺寸限制，紐扣電池的外形通常是可取的。如果存儲的能量低于系統要求，則可以選擇安裝更大的電池。

另一種方法是重新設計電路，以將整體系統能量需求降低到可用電池存儲以下。任何一種方法，或兩者兼而有之，都可能無法達到目標。

微能量收集，以微瓦或毫瓦為單位，可以提供有用且可能取之不盡、用之不竭的電能供應，從周圍環境中捕獲。這可以補充或替換原代電池，具體取決于應用和環境能量。收集到的能量和轉換的能量可以直接為電路供電。另一方面，將能量存儲在緩沖區中直到需要它可能是一種更合適的方法。

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

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。

如果傳感器距離聚合器或網關（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）僅不遠，則藍牙、Zigbee 或 Wi-Fi 等技術可能適用，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比較。（資料來源：貝洱科技）。

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。（資料來源：沃勒系統公司。

為了充分了解對系統整體能源需求的影響，還需要考慮占空比。智能公用事業電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（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，通過在傳輸之前在系統內本地過濾數據，可以降低占空比;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通過降低占空比節省的能量進行比較，以確保凈收益。

環境能源

在了解了無線子系統所需的能量和功率之后，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）的帕爾貼器件。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。利用這些信息，可以通過評估可用組件的尺寸和性能來選擇一種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的太陽能電池2可以產生約0.5瓦，假設效率約為20%。這些設備的體積不到1美元，而壓電式收割機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，最近引入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。

將所有內容整合在一起

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中電池的解決方案。由于能量源本身通常是不規則的，并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，因此阻抗低。雖然太陽能電池也會產生低直流電壓，但電流和阻抗隨光照水平而變化。

圖 4.EH PMIC 處理能量緩沖器的充電并為應用供電。

當今市場上典型的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割機一起工作。這排除了使用替代收割機來捕獲額外的環境能量，如果僅一個來源不能滿足系統要求。因此，如果需要多種能源，則需要為每個能源提供專用的EH PMIC。這增加了系統成本、尺寸和功耗，也使設計復雜化。

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）提供了自主適應各種類型的連接收割機的輸入，并最大限度地提高了輸送到緩沖器的功率，而無需外部電路。這些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的收割機的靈活性。因此，使用OptiJoule器件，可以擴展微能量收集能力，將單個PMIC用于多種應用，甚至將能量收集技術的選擇推遲到產品開發的后期（如果需要）。

結論

通過優化無線電協議、低能耗微處理器設計、低功耗傳感器以及微能量收集效率的提高，環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，并延長物聯網端點在現場的使用壽命。EH PMIC的最新發展允許在集成選定的微能量收集技術時更加靈活地管理尺寸，成本和復雜性。

審核編輯 黃昊宇