利用能量采集技术打造可靠的边缘物联网设备

随着组织拥抱数字化转型，物联网部署正在加速，智慧生活——涵盖城市、工厂和农场——有望改善生活质量并促进可持续发展。

物联网端点通常是传感器，较少情况下是执行器，它们通过无线方式连接到聚合器或互联网网关。这些端点部署数量大、分布范围广。现场维护（如更换耗尽的原电池）往往成本高昂，并产生不可接受的环境废弃物。

工程师可以通过设计具有足够储能以覆盖预期寿命（通常数年）的端点来避免更换电池。受尺寸限制，纽扣电池通常是首选。若储能不足，可使用更大容量的电池。

或者，重新设计电路以降低整体功耗至可用电池容量以下也有帮助。这两种策略——或两者结合——仍可能无法达到目标。

微型能量采集技术可从环境中捕获微瓦至毫瓦级功率，提供有用且潜在取之不尽的电力来源。根据应用和可用环境能量，它可补充或替代原电池。某些情况下，采集并转换的能量可直接为电路供电；其他情况下，将其存储在缓冲器中待用更为合适。

无论如何，都需要合适的环境能源来满足应用需求。在物联网端点的各子系统中，无线电模块消耗能量最多。分析其需求可指导能量采集系统的设计与集成。

无线电子系统功耗

选择最合适的无线技术，以在最低功耗下提供所需的数据速率和通信范围至关重要。

若传感器距离聚合器或网关（如连接互联网或本地电信交换机的集线器/路由器）较近，蓝牙、Zigbee 或 Wi-Fi 可能适用，具体取决于所需数据速率和成本约束。对于分布在大面积地理区域的端点，可能需要 LPWAN 或蜂窝连接。图 1 对比了物联网应用中主要技术的功耗、数据速率、典型最大范围和相对成本。

范围、数据速率和功耗也可用数值表示以便直接比较。如图 2 所示，无线子系统功耗可低至 150 µW，高达 400 mW。

为全面了解对系统整体能量需求的影响，必须考虑占空比。智能公用事业仪表等应用每天或每隔几天发送小数据包；安防摄像头等可能需要频繁或持续发送大量数据。根据应用，可通过本地过滤数据来降低占空比；例如，摄像头可包含运动传感器，仅在检测到活动时开始录制，或嵌入式图像处理可丢弃无关帧。必须权衡过滤数据所需的能量与降低占空比带来的节省，以确保净收益。

环境能源来源

明确无线子系统的能量需求后，可评估合适的环境能源和微型能量采集技术。

可为这些系统供电的主要微型能量采集技术包括：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) 的帕尔帖器件。通过贴片或线圈天线捕获的射频能量通常仅适用于最节能的物联网应用。图 3 对比了这些技术的典型能量密度。利用此信息，可通过评估组件尺寸和性能来选择技术并制定规格。

假设效率约 20%，面积 35–40 cm² 的太阳能电池可产生约 0.5 W 功率。批量采购时，此类电池单价低于 1 美元，而压电采集器通常至少贵一个数量级，且产生的能量更少。太阳能电池在室内效率较低，但近期的室内采集器声称输出足以驱动低功耗无线电。

系统集成

利用这些进展，微型能量采集可减少或消除物联网端点中的电池。由于环境能源不稳定，且设备需要收发数据时可能不可用，通常需要能量缓冲器——如可充电电池、电容器或超级电容器。如图 4 所示，能量采集电源管理 IC (EH PMIC) 管理采集子系统的能量，为缓冲器充电，并在需要时为负载供电。不同采集技术具有截然不同的电气特性。热电采集器产生连续的低压直流电流，阻抗低；太阳能电池也产生低直流电压，但电流（因此阻抗）随光照水平变化。

目前市场上的典型 EH PMIC 具有固定架构和针对特定采集器类型定制的输入电压范围。这限制了单一能源无法满足系统需求时组合多种能源的能力。当需要多种能源时，每种能源都需要专用的 EH PMIC，增加了成本、尺寸、功耗和设计复杂度。

某些 EH PMIC 可通过外部电路调整以调节采集器输出。为简化系统设计，Trameto 的 EH PMIC——OptiJoule——提供可自动适应各种连接采集器并最大化向缓冲器输送功率的输入，无需外部电路。提供单输入版本和最多四输入版本。多输入版本允许连接相同或不同类型的采集器。使用 OptiJoule 器件，微型能量采集容量可扩展，单个 PMIC 可服务多种应用，且采集技术的选择可推迟到产品开发后期。

结论

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型能量采集效率的提升，使环境能源成为减少或消除边缘物联网设备电池的可行来源。最新的 EH PMIC 发展为集成选定的微型能量采集技术提供了管理尺寸、成本和复杂度的灵活性。