如何以及何时使用能量收集为大规模物联网提供动力

5G 的推出导致工业 4.0 无线传感器网络、智能物流、智能城市、智能农业和其他大规模物联网应用的数量激增。在此过程中，它为设计人员提供了一个独特的机会，可以重新考虑网络架构的许多方面，包括新的功耗范式。

为数十亿个无线节点提供可扩展且可靠的电源是一个具有挑战性的问题。如果不解决，大规模物联网的推出将受到阻碍。仅仅使用更多的电池是不够的。在越来越多的情况下，必须补充或消除电池。取而代之的是，将需要各种形式的能量收集（EH）来为大型物联网的大部分提供动力。对于设计人员来说幸运的是，EH技术不断进步，使其成为为大规模物联网设备供电的越来越有吸引力的替代方案。

本博客简要回顾了为数十亿大型物联网无线节点供电时面临的挑战，以及在确定EH是否可以提供可行解决方案时需要考虑的一些因素。然后，它回顾了EM Microelectronics和Nowi的能量收集电源管理IC以及开发环境，以加快大规模物联网中EH的评估。

在决定如何为大型物联网节点供电时要考虑的五个因素是：

• 数据速率
• 传输范围
• 延迟
• 操作环境
• 环境影响和管理/物流

数据速率、范围和延迟会影响节点的峰值和平均功率需求，并取决于所使用的无线通信协议。例如，当使用低功耗蓝牙时，10厘米（cm）方形光伏（PV）面板可以大约支持数据包的定期传输：

• 在零售店的室内照明水平下每 100 毫秒 （ms） 一次
• 在典型办公环境中的照明水平下每 200 ms
• 在仓库和工厂的照明水平下每 2 秒

工作环境也会影响电池的适用性和成本。在零售店或办公室等相对良性的环境中，较便宜的电池可以提供合理的使用寿命，使EH相对更昂贵。如果无线节点部署在恶劣的工业或室外环境中，则需要更昂贵的电池化学成分，使EH相对更具吸引力。

环境影响和管理问题也进入了画面。原电池的使用寿命有限，这增加了所需的电池更换次数，增加了维护和管理/物流成本，并导致电池处理对环境的负面影响。为了解决这些众多问题，设计人员可以从几种支持EH的替代电源架构中进行选择：

• 具有补充 EH 的原电池电源可延长电池寿命，在保持电池电源优势的同时减少负面影响
• 可充电电池与EH相结合，可提供更长的使用寿命并无需更换电池
• 电容器或超级电容器与EH相结合，可实现无电池系统和最长的使用寿命

EH 控制器和电源管理 IC

对于可以从组合电源管理 IC （PMIC） 和 EH 控制器中受益的应用，设计人员可以转向 EM Microelectronic的 EM8500。该 PMIC 为 EH 源提供最大功率点跟踪 （MPPT），并为各种系统功能提供四个独立的输出电压（图 1）。它可以与各种EH技术接口，包括微瓦（μW）至毫瓦（mW）范围内的热发电机（TEG）和光伏电池。EM8500 可与一次电池或二次电池、传统电容器或超级电容器结合使用。型号 EM8500-A001-LF24B+采用 4 x 4 mm 24 引脚 QFN 封装。

图 1：EM8500 PMIC 包括用于 EH 源的 MPPT，并为系统提供四个输出电压。（图片来源：EM微电子）

EM8500 开发套件

设计人员可以使用 EMDVK8500 开发套件来配置和评估 EM8500（图 2）。该开发套件包括配置 EM8500 所需的软件以及用于测量最终解决方案性能的工具。

图 2：EMDVK8500 可以配置 EM8500 PMIC 并测量最终解决方案的性能。（图片来源：EM微电子）

EH 控制器 IC 和评估板

对于不需要完整电源管理解决方案的设计，Nowi 的 NH2D0245是一款紧凑的高性能 EH 控制器，具有 MPPT，采用 16 引脚、3 × 3 mm QFN 封装，适用于低功耗应用。NH2D0245 可与各种 EH 源配合使用，包括光伏、电感和压电，以及可充电电池或超级电容器等储能设备。MPPT算法独立于特定的收割机运行，可以以1秒的间隔检测最大功率点，从而最大限度地提高动态环境中的效率。

NH2D0245评估板旨在加快NH2D0245的性能和特性测试（图3）。要使用此评估板，需要能量收集器、电池或超级电容器以及万用表。如果使用具有交流 （AC） 输出的 EH，例如压电收集器，则必须在 EH 和评估板的直流 （DC） 输入之间添加整流器。

图 3：NH2D0245 评估板可以加快 EH 控制器功能和性能的测试。（图片来源：Nowi）

结论

由5G支持的大规模物联网的推出将为设计人员提供令人兴奋的挑战和机遇，以重新考虑无线节点的供电方式。必须考虑各种技术、环境和经济因素，以确定每种应用的最佳电源架构。有必要使用各种基于EH的方法来增强电池的能力。在许多情况下，EH将与一次或二次电池，传统电容器或超级电容器结合使用。

审核编辑 黄宇