如何使能量收集适用于边缘IoT设备

随着组织追求数字化转型，物联网部署继续取得进展，各种形式的智能生活是提高生活质量和可持续性的关键。

物联网端点往往是传感器，或者不太常见的是无线连接到聚合设备或互联网网关的执行器。它们通常大量部署，并且在智能城市，智能工厂或智能农业等场景中，分散在较大的地理区域内。进行现场维护的成本通常高得令人望而却步。此外，废弃的电池代表着越来越不可接受的环境负担。

在设计端点时，工程师可以通过安排足够的能量供应来延长器件的预期寿命，从而避免更换电池的需要。这可能需要几年时间。由于尺寸限制，纽扣电池的外形通常是可取的。如果存储的能量低于系统要求，则可以选择安装更大的电池。

另一种方法是重新设计电路，以将整体系统能量需求降低到可用电池存储以下。任何一种方法，或两者兼而有之，都可能无法达到目标。

微能量收集，以微瓦或毫瓦为单位，可以提供有用且可能取之不尽、用之不竭的电能供应，从周围环境中捕获。这可以补充或替换原代电池，具体取决于应用和环境能量。收集到的能量和转换的能量可以直接为电路供电。另一方面，将能量存储在缓冲区中直到需要它可能是一种更合适的方法。

在任何情况下，都需要合适的环境能量源，能够满足应用的需求。在物联网端点的各个子系统中，无线电的能源需求最为显著。分析这里的要求，为能量收集系统的设计和集成提供信息，这可能是有启发性的。

无线电子系统功耗

选择最合适的无线技术以尽可能低的功耗提供所需的数据速率和通信范围至关重要。

如果传感器距离聚合器或网关（如连接到互联网或通过本地电信交换机的集线器或路由器）仅不远，则蓝牙、Zigbee 或 Wi-Fi 等技术可能适用，具体取决于所需的数据速率以及成本限制。在其他情况下，例如端点分布在地理上较大的区域，可能需要LPWAN或蜂窝连接。图1比较了物联网应用中使用的主要技术的功耗、数据速率、典型最大范围和相对成本。

图 1.流行的物联网无线通信技术比较。（资料来源：贝洱科技）。

范围、数据速率和功耗也可以用数字表示，以帮助直接比较。如图2所示，无线子系统的功耗可低至150μW至400mW。

图 2.数据速率、带宽和功耗之间的比较。（资料来源：沃勒系统公司。

为了充分了解对系统整体能源需求的影响，还需要考虑占空比。智能公用事业电表等应用涉及每天或每隔几天发送几次小数据包。其他设备（如安全摄像头）可能需要频繁或连续发送大量数据。根据应用的不同，通过在传输之前在系统内本地过滤数据，可以降低占空比;相机可能装有运动传感器，仅在检测到活动时才开始记录，或者嵌入式图像处理可能会丢弃无趣的数据。当然，过滤数据所需的能量必须与通过降低占空比节省的能量进行比较，以确保净收益。

环境能源

在了解了无线子系统所需的能量和功率之后，可以评估合适的环境源和微能量收集技术。

适合为这些系统供电的主要微能量收集技术是太阳能电池阵列，由振动激活的压电或静电转换器，以及将温度梯度转换为电动势（EMF）的帕尔贴器件。通过贴片或线圈天线捕获的射频能量源往往不适合除最节俭的物联网应用之外的所有应用。图3比较了与这些技术相关的典型能量密度。利用这些信息，可以通过评估可用组件的尺寸和性能来选择一种技术并开始制定规范。

图 3.收集的环境能源的功率密度。

面积为35-40cm的太阳能电池2可以产生约0.5瓦，假设效率约为20%。这些设备的体积不到1美元，而压电式收割机通常至少要贵一个数量级，并且产生的能量更少。众所周知，太阳能电池在室内使用时效率较低。然而，最近引入了一些室内太阳能收集器，声称可以为低功率无线电提供足够的输出。

将所有内容整合在一起

利用这些进步，微能量收集可以被视为减少或消除物联网端点中电池的解决方案。由于能量源本身通常是不规则的，并且在物联网设备需要传输或接收数据时不一定可用，因此通常需要能量缓冲器或存储设备。这可以是可充电电池或电容器（或超级电容器）。需要一个能量收集电源管理IC（EH PMIC）来处理来自收集子系统的能量，管理提供给能量缓冲器的电荷，并在需要时为负载供电，如图4所示。各种能量收集技术具有不同的电气特性。热电采集器在低电压下产生连续的直流电流，因此阻抗低。虽然太阳能电池也会产生低直流电压，但电流和阻抗随光照水平而变化。

图 4.EH PMIC 处理能量缓冲器的充电并为应用供电。

当今市场上典型的EH PMICS具有固定的架构和输入电压范围，设计用于与特定类型的收割机一起工作。这排除了使用替代收割机来捕获额外的环境能量，如果仅一个来源不能满足系统要求。因此，如果需要多种能源，则需要为每个能源提供专用的EH PMIC。这增加了系统成本、尺寸和功耗，也使设计复杂化。

一些EH PMIC可以使用外部电路进行修改，以调节能量收集器的输出。然而，为了简化系统设计，Trameto的EH PMIC（称为OptiJoule）提供了自主适应各种类型的连接收割机的输入，并最大限度地提高了输送到缓冲器的功率，而无需外部电路。这些版本可用于单个输入或最多四个输入。多输入版本具有连接相似或不同类型的收割机的灵活性。因此，使用OptiJoule器件，可以扩展微能量收集能力，将单个PMIC用于多种应用，甚至将能量收集技术的选择推迟到产品开发的后期（如果需要）。

结论

通过优化无线电协议、低能耗微处理器设计、低功耗传感器以及微能量收集效率的提高，环境能量已成为一种可行的来源，有助于减少或消除对电池的依赖，并延长物联网端点在现场的使用寿命。EH PMIC的最新发展允许在集成选定的微能量收集技术时更加灵活地管理尺寸，成本和复杂性。

审核编辑 黄昊宇