能量采集的前景及最新動(dòng)向

　　能量收集：物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的新興技術(shù)

　　“能量收集技術(shù)是指把大自然中的一些能源收集起來(lái)轉(zhuǎn)化成電能給系統(tǒng)供電，這些能量主要包括動(dòng)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(wù)部門(mén)市場(chǎng)部營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)(上海)王鈺說(shuō)。微型能量收集技術(shù)主要應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、植入式醫(yī)療監(jiān)測(cè)、有源射頻傳感器及識(shí)別等方面。這些市場(chǎng)目前在中國(guó)正在迅速發(fā)展，而這些應(yīng)用在電池的維護(hù)替換方面存在著不可避免的瓶頸，這也導(dǎo)致了能量收集技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不可或缺性。可以預(yù)見(jiàn)，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，能量收集技術(shù)必將成為中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的重要技術(shù)。

　　德州儀器(TI)電池管理市場(chǎng)與應(yīng)用經(jīng)理文司華博士認(rèn)為，像消費(fèi)類、工業(yè)類、醫(yī)療類、汽車(chē)類的產(chǎn)品中，電源是無(wú)處不在的，真正和我們今天課題相關(guān)的是如何適應(yīng)更廣泛或更極端的應(yīng)用場(chǎng)景，這些場(chǎng)景是消費(fèi)類產(chǎn)品的基本趨勢(shì)，更大容量電池對(duì)于某些廠家不是特別適用，甚至沒(méi)有空間存放這個(gè)電池，更別說(shuō)對(duì)電池進(jìn)行快速充電，比較典型是醫(yī)療、倉(cāng)儲(chǔ)、物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，這種情況下，可能會(huì)強(qiáng)調(diào)一些對(duì)可穿戴式的、監(jiān)控的傳感器網(wǎng)絡(luò)，這些應(yīng)用難以獲得持續(xù)供電，只能從周?chē)h(huán)境或傳感器獲取能量。

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　　當(dāng)主電源不可用時(shí)，能量采集有助于延長(zhǎng)設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間。便攜式設(shè)備就是要求延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間的一種主要領(lǐng)域，如電話、多媒體播放器、手持射頻設(shè)備、POS掃描儀、便攜式醫(yī)療設(shè)備、工具、電動(dòng)刮胡刀等。在一些新興國(guó)家，為手機(jī)充電是很成問(wèn)題的，因?yàn)椴皇强梢噪S時(shí)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(wú)線傳感網(wǎng))和智能樓宇在內(nèi)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)均為分布式網(wǎng)絡(luò)，其監(jiān)控著如下物理參數(shù)：樓宇與橋梁的應(yīng)力和疲勞性能、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)葡萄酒釀造廠及農(nóng)場(chǎng)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(lái)遠(yuǎn)程監(jiān)控馬達(dá)或其它設(shè)備或工藝過(guò)程。遠(yuǎn)程分布自供電無(wú)線設(shè)備具有廣泛的應(yīng)用空間，涵蓋了從消費(fèi)類電子、工業(yè)、政府到軍事的廣泛領(lǐng)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(chǔ)組件來(lái)渡過(guò)“黑暗時(shí)間”。 因此，如果需要連續(xù)運(yùn)行的話，添加一個(gè)備用存儲(chǔ)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(shù)時(shí)，首先需要看一下各種潛在能源，如光能、熱能、振動(dòng)能和RF能。除了可用于能量采集的各種技術(shù)之外，采用最為廣泛的是太陽(yáng)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(jī)器產(chǎn)生的熱量。振動(dòng)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(duì)無(wú)線發(fā)送的電子信號(hào)能量獲取進(jìn)行了討論，且對(duì)采集的能量估計(jì)也是較低的，目前來(lái)說(shuō)不是一種切實(shí)可行的能量采集源。

　　我們處處需要系統(tǒng)級(jí)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(yīng)用場(chǎng)景，電源無(wú)疑是很重要的。在任何情況下有面向該應(yīng)用的最低功耗解決方案，德州儀器提供全套的技術(shù)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(wú)線連接，包括Wi-Fi、Zigbee、Bluetooth以及1個(gè)Sub-1 GHz集成的芯片，要想低功耗控制器和無(wú)線連續(xù)，我們希望在能量采集概念范疇下，能從光、振動(dòng)、熱量、RF上去獲取能量，為這些控制器進(jìn)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(jī)械能源采集的微瓦 (uW) 至毫瓦 (mW) 級(jí)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控系統(tǒng)、可穿戴式醫(yī)療設(shè)備、移動(dòng)附件等難以獲得供電的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)無(wú)電池工作。

　　能量收集是采集或收集周?chē)h(huán)境中釋放的微小能量，包括光和振動(dòng)，并將之轉(zhuǎn)換為電能。除其他潛在應(yīng)用外，能量收集還可以成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的電源，有助于低碳社會(huì)的實(shí)現(xiàn)。

　　Spansion的兩款新的電源管理IC在推動(dòng)能量收集技術(shù)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(guò)優(yōu)化電路布局，MB39C811以1.5μA靜態(tài)電流實(shí)現(xiàn)了超低功率運(yùn)行，有助于傳感器件領(lǐng)域中無(wú)電池技術(shù)的成功開(kāi)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(yáng)能電池或熱電子發(fā)生器獲取的電力。