作者： Pete Bartolik

如今的能量收集應用層出不窮。美國政府對清潔能源的投資以及私營企業對清潔能源制造、電動汽車和電池以及清潔發電的 4000 億美元投資可謂是備受大眾關注 ^i^ ，而針對物聯網、可穿戴設備和生物醫學設備（如植入體）的低功耗能量收集應用市場的蓬勃發展則鮮為人知 ^ii^ 。

人們對高效、可靠、緊湊的儲能應用的需求凸顯了利用環境能源取代或補充低功耗設備充電電池的機會潛力。這種能量收集應用有望實現無限期運行，無需更換電池，從而大幅減少生態垃圾。

收集到的太陽能可以為零售、工業和住宅環境中的可穿戴設備、通信設備、遠程或難以接觸到的傳感器以及各種智能設備供電。此外，設計人員還可以利用其他環境能源，如溫度變化、運動、振動、無線電波和聲波。

克服設計挑戰

尺寸和電源管理是設計移動、遠程和無人值守設備的關鍵挑戰。在許多情況下，無線連接具有同等的挑戰性。然而，隨著在集成必要電子元件并使之小型化方面的不斷進步，已經能夠讓開發人員足以減少器件尺寸并優化成本了。

確定合適的能源和功耗優化是開發成功應用的關鍵。外形尺寸和美觀程度因使用環境和用途的不同而大不相同。

消費類設備必須在外觀上具有吸引力，并達到較高的可用性標準，才能在市場上取得成功。工業和遠程設備受美觀和消費者操作友好程度的影響較小，但可能需要實現更高的功能水平和互操作性。

實現低功耗設計主要取決于找到合適的組件和軟件，以最大限度地降低能耗。同時還要能夠最大限度地從能源中提取更多的電能。在理想情況下，應用收集到的能量應比消耗的多，從而實現完全的能源自主。

高性能能量收集 PMIC

[Nexperia] 提供了一種電源管理集成電路 (PMIC)，能夠持續利用環境能量。[NEH2000BY] （圖 1）在不影響能效的前提下實現了設備的高性能，從而解決了典型的能量收集平衡問題。

圖 1：Nexperia 的 NEH2000BY PMIC 旨在用于低功耗設備的環境能量收集。（圖片來源：Nexperia）

Nexperia PMIC 采用最大功率點跟蹤 (MPPT) 自適應算法來優化來自環境源的能量傳輸，并確保高轉換率。NEH2000BY MPPT 算法無需預先編程即可自動運行，可實現高達 80% 的最佳平均轉換效率，并能在 0.5 秒內完成自適應。

對于研究或探索太陽能板和風力渦輪機優化的開發人員來說，MPPT 可謂是耳熟能詳，但它也可用于收集其他環境能量來源（如熱能、振動和無線電信號）的應用。MPPT 可持續監測電壓和電流以確定最佳功率，并調整負載，使輸出與應用要求相匹配。

NEH2000BY 采用“爬坡”算法，能夠適應不斷變化的環境，確保實現最高的效率，而不受能量波動的影響。雖然這款 PMIC 已針對光伏應用進行了優化，但仍可與各種利用 2.5 V 至 4.5 V 存儲元件電壓的采集器設備配合使用，并與各種類型的可充電電池以及無電池設計兼容。

Nexperia PMIC 能夠讓設計人員利用集成式、高效率、低功耗 DC-DC 器件設計各種應用，無需添加轉換器和笨重的外部電感器。它只需要一個外部電容器，簡化了印刷電路板 (PCB) 布局，減少了應用的物料使用。

據 Nexperia 稱，該 PMIC 采用較薄的 3 mm x 3 mm 塑料熱增強方形扁平封裝 (HWQFN)，整體裝配面積僅為 12 mm。這使得采集設計的尺寸比現有解決方案小了 20 倍。

參考設計平臺

Nexperia 與 [Ambiq] 合作開發一個參考設計平臺，產品設計人員可以利用該平臺進行能量收集應用原型設計和測試。

Ambiq [harvestKIT AMA3BHARV1] （圖 2）結合了基于 Nexperia NEH2000BY PMIC 的 Click 模塊、Ambiq 的 Apollo3 Blue SoC 以及來自 [TDK InvenSense] 和 [Bosch Sensortec] 的低功耗 1.8 V 定制 Click 傳感器模塊。

圖 2：Ambiq 的 harvestKit AMA3BHARV1 采用了帶有 Nexperia 能量收集 PMIC 的 Click 模塊，以及運動和環境傳感器模塊。（圖片來源：Ambiq）

harvestKIT 帶有 Nexperia 的能量收集技術，以及一個微機電系統 (MEMS) 運動傳感器和一個環境傳感器。Apollo3 Blue SoC 集成了低功耗藍牙 (BLE) 5。附加擴展插槽可支持其他傳感器和連接模塊，如 Wi-Fi 或顯示器。

這些組件可以驅動將低功耗能量收集與溫度、濕度、運動和壓力監測等輸入結合在一起的應用。

開發人員可利用該參考設計開發一系列原型產品，通過收集能量延長電池壽命，或通過集成超級電容器或其他儲能元件而去除電池的使用。

Apollo3 Blue SoC 采用 Ambiq 獲得專利的亞閾值功率優化技術 (SPOTò)，可管理收集到的能量并高效處理低功耗應用。參考平臺固件會將原始傳感器數據發送到網絡 APP，而人們可以在手機、平板電腦或個人電腦的 Chromium 網絡瀏覽器上運行這個 APP。

結語

Nexperia 的 PMIC 為下一代高能效應用提供了一個極具吸引力的設計選擇。通過收集太陽能和集成先進的傳感器模塊，開發人員可以設計出各種創新的解決方案，從而大大延長電池的使用壽命，甚至完全不需要電池。Nexperia 與 Ambiq 合作推出的 harvestKIT AMA3BHARV1 參考設計，為尖端的低功耗管理和處理應用提供了一個原型開發和測試平臺，滿足了人們對可持續、高效率電子設備日益增長的需求。

審核編輯 黃宇