能量收集：物聯(lián)網(wǎng)領域的新興技術

　　“能量收集技術是指把大自然中的一些能源收集起來轉(zhuǎn)化成電能給系統(tǒng)供電，這些能量主要包括動能、光能、電磁能、熱能的收集?！盨pansion公司微控制器與模擬業(yè)務部門市場部營銷總監(jiān)(上海)王鈺說。微型能量收集技術主要應用在物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡、結構健康監(jiān)測、植入式醫(yī)療監(jiān)測、有源射頻傳感器及識別等方面。這些市場目前在中國正在迅速發(fā)展，而這些應用在電池的維護替換方面存在著不可避免的瓶頸，這也導致了能量收集技術在物聯(lián)網(wǎng)應用的不可或缺性?？梢灶A見，在不遠的將來，能量收集技術必將成為中國物聯(lián)網(wǎng)領域的重要技術。

　　德州儀器(TI)電池管理市場與應用經(jīng)理文司華博士認為，像消費類、工業(yè)類、醫(yī)療類、汽車類的產(chǎn)品中，電源是無處不在的，真正和我們今天課題相關的是如何適應更廣泛或更極端的應用場景，這些場景是消費類產(chǎn)品的基本趨勢，更大容量電池對于某些廠家不是特別適用，甚至沒有空間存放這個電池，更別說對電池進行快速充電，比較典型是醫(yī)療、倉儲、物聯(lián)網(wǎng)的應用，這種情況下，可能會強調(diào)一些對可穿戴式的、監(jiān)控的傳感器網(wǎng)絡，這些應用難以獲得持續(xù)供電，只能從周圍環(huán)境或傳感器獲取能量。

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　　當主電源不可用時，能量采集有助于延長設備的運行時間。便攜式設備就是要求延長運行時間的一種主要領域，如電話、多媒體播放器、手持射頻設備、POS掃描儀、便攜式醫(yī)療設備、工具、電動刮胡刀等。在一些新興國家，為手機充電是很成問題的，因為不是可以隨時找到電源的。因此，能量采集就變得非常有必要了，而且能量采集比安裝一整套電網(wǎng)要便宜很多。

　　包括建筑(如橋梁)、WSN(無線傳感網(wǎng))和智能樓宇在內(nèi)的無線傳感器網(wǎng)絡均為分布式網(wǎng)絡，其監(jiān)控著如下物理參數(shù)：樓宇與橋梁的應力和疲勞性能、精準農(nóng)業(yè)葡萄酒釀造廠及農(nóng)場辦公室的溫度水分和濕度。在工廠也可以發(fā)現(xiàn)WSN的身影，其可用來遠程監(jiān)控馬達或其它設備或工藝過程。遠程分布自供電無線設備具有廣泛的應用空間，涵蓋了從消費類電子、工業(yè)、政府到軍事的廣泛領域。

　　產(chǎn)品方案的選擇

　　能量采集組件具有極其微弱的輸出性能=高阻抗電源，因此需要輸入穩(wěn)壓。電路需要具有極低的Iq，并且可適用廣泛的輸入/輸出組合。另外，主能源可能不是很穩(wěn)定可靠——需要額外的存儲組件來渡過“黑暗時間”。 因此，如果需要連續(xù)運行的話，添加一個備用存儲組件(電容、電池)是很有必要的。

　　在決策使用哪種能量采集技術時，首先需要看一下各種潛在能源，如光能、熱能、振動能和RF能。除了可用于能量采集的各種技術之外，采用最為廣泛的是太陽能，其具有最高的潛在能量采集量(從室外的100mW/cm2到室內(nèi)光照的0.1mW/cm2)。熱能是第二大潛在能源，如：身體的熱量，電器和機器產(chǎn)生的熱量。振動能量也是一種潛在的能源，但是其潛在的能量不如光能和熱能。這只是對無線發(fā)送的電子信號能量獲取進行了討論，且對采集的能量估計也是較低的，目前來說不是一種切實可行的能量采集源。

　　我們處處需要系統(tǒng)級的電源方案，但最大的挑戰(zhàn)是，什么樣的電源才能適用于應用場景，電源無疑是很重要的。在任何情況下有面向該應用的最低功耗解決方案，德州儀器提供全套的技術方案，包括電源管理和高精度的模擬IC;另一方面，有非常低功耗的微控制器，低功耗的無線連接，包括Wi-Fi、Zigbee、Bluetooth以及1個Sub-1 GHz集成的芯片，要想低功耗控制器和無線連續(xù)，我們希望在能量采集概念范疇下，能從光、振動、熱量、RF上去獲取能量，為這些控制器進行供電。

　　日前，德州儀器 (TI) 宣布推出五款新一代電源管理集成電路，可高效提取和管理從光源、熱源或機械能源采集的微瓦 (uW) 至毫瓦 (mW) 級電源。該 bq25570、bq25505、TPS62740、TPS62737 與 TPS62736 支持業(yè)界最低工作靜態(tài)電流，可為無線傳感器網(wǎng)絡、監(jiān)控系統(tǒng)、可穿戴式醫(yī)療設備、移動附件等難以獲得供電的應用實現(xiàn)無電池工作。

　　能量收集是采集或收集周圍環(huán)境中釋放的微小能量，包括光和振動，并將之轉(zhuǎn)換為電能。除其他潛在應用外，能量收集還可以成為無線傳感器網(wǎng)絡中傳感器節(jié)點的電源，有助于低碳社會的實現(xiàn)。

　　Spansion的兩款新的電源管理IC在推動能量收集技術商業(yè)化方面發(fā)揮了重要作用。例如，MB39C811是非常高效的DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置了低損耗橋式整流器。通過優(yōu)化電路布局，MB39C811以1.5μA靜態(tài)電流實現(xiàn)了超低功率運行，有助于傳感器件領域中無電池技術的成功開發(fā)。MB39C831是同步整流DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器。為了鋰離子電池有效充電，該轉(zhuǎn)換器使用從單節(jié)或多節(jié)太陽能電池或熱電子發(fā)生器獲取的電力。