能量收集能够促进物联网的发展吗?

在增长的讨论中经常讨论不断为构成物联网的数十亿设备供电的挑战。本文讨论能量收集作为一种有效的解决方案。
随着智能迅速蔓延到我们周围的众多“事物” - 从灯泡,家用电器和汽车到医疗传感器,工业机械,甚至整个城市 - 物联网(IoT)显然正在崛起。据Gartner称,到2020年,连接的物联网节点的数量预计将达到204亿美元,相当于目前生活在地球上的人类的数倍。
然而,物联网的发展并非没有障碍。其中一个挑战是保持数十亿的物联网设备24x7全天候运行,无论其位置和应用如何。定期更换电池需要成本和人力资源。此外,所有增加的能量对环境的影响要求需要考虑这些装置。 
现在出现的可以抵消这些限制的解决方案是能量收集。利用这项技术,能量从周围环境中捕获并转化为电能。这可能来自许多可能会丢失的可能来源(例如环境光,振动,热量或RF)。
在物联网的背景下,能量收集的目标不是产生大量的能量,而是在任何可以找到的地方清除少量的能量。例如,根据环境光,收获的功率通常在10μW/ cm 2和10mW / cm 2之间,这取决于光源是室外还是室内。运动产生的能量大约为4μW/ cm2至100μW/ cm2,同样取决于光源(即,无论是人还是机器)。类似地,可以从人体吸收的热能约为30μW/ cm2,RF约为0.1μW/ cm2。
简单来说,能量收集将使企业真正利用物联网的力量,同时节省本来可能浪费在电池上的金钱和时间。根据市场研究公司IDTechEx的数据,到2022年,全球每年的能源收集业务应超过50亿美元。但考虑到未来增长的轨迹,技术如何形成?
 

能量收集系统构件

从本质上讲,能量收集分为三个步骤:收集,调节和储存。传感器捕获来自能源的能量(如环境光,热量,振动,压力,RF等)并输出电能。接下来,电源管理IC在将输入电压传递到存储设备(通常是超级电容器)之前调节输入电压以适应负载,该存储设备充当低功率,间歇主能量源,高功率和连续负载之间的缓冲器。
根据主要能源,能量收集系统使用不同类型的传感器。例如,光伏能量采集器从室外和室内捕获光能,以补充甚至消除来自消费者和工业应用的电池。同样,压电换能器在通过压力或运动受到机械应力时产生电压。随着汽车,飞机,自动化设备甚至人体周围的振动,这些传感器有望为众多物联网设备供电。Mide 的PPA-1021是一个0.74mm厚的压电传感器,通过捕获振动能量,在28.2V时产生4.5mW的直流输出。
利用废热,当两种不同金属的连接处存在温差时,热电传感器会产生电能 - 这种现象称为塞贝克效应。Micropelt TE-CORE热量收集模块设计用于捕获当地可用的废热并将其转化为电能。在<10°C的温差下工作,可提供1.8V至4.5V的可配置输出。
 

管理收获的力量

为了调节所收集的能量并保持对连接负载的稳定电力供应,能量收集设备将需要包括某种形式的电源管理集成电路(PMIC)。赛普拉斯S6AE101A能量收集PMIC 专为超低功耗部署而设计,其工作电流和启动功率分别仅为250nA和1.2μW。
通过该芯片,在约100lx的低亮度条件下的紧凑型太阳能电池可以提供足够的功率来运行物联网设备。如图1所示,它使用内置开关控制存储输出电容中产生的功率。如果来自太阳能电池的电力不足以连接负载,则它会补充电池储备的电源。作为具有过压保护(OVP)机制的无电池无线传感器节点解决方案,其应用包括用于HVAC,照明和安全系统的无线传感器以及蓝牙智能传感器。
 
图1:基于赛普拉斯S6AE101A PMIC的太阳能采集电源管理系统。
图1.  基于赛普拉斯S6AE101A PMIC的太阳能采集电源管理系统。图片由赛普拉斯提供
 
凌力尔特公司的LTC3588-2是另一种能量采集PMIC,设计用于直接与压电,太阳能或磁传感器连接。它可以整流电压波形并将收集的能量存储在外部电容器上。它通过内部并联稳压器排出任何多余的电能,同时通过高效纳米功率同步降压稳压器调节输出电压。它具有3.45V,4.1V,4.5V和5.0V四种可选输出电压,可提供高达100mA的连续输出电流。为了提供OVP,该芯片包括一个20V的输入保护分流器。轮胎压力传感器和移动资产跟踪是其潜在用途。
为了充电和保护微功率存储单元,Maxim Integrated为MAX17710 PMIC提供升压调节电路。该芯片采用12引脚UTDFN封装,针对调节不良的电源进行了优化,例如能量收集方案中常见的电源,电压电平低至0.75V。虽然输出值范围为1μW至100mW,但MAX17710还包括一个内部稳压器,用于过充电保护。提供给目标应用的输出电压使用低压降(LDO)线性稳压器进行调节,可选择的电压为3.3V,2.3V或1.8V。输出稳压器以可选择的低功耗或超低功耗模式工作,以最大限度地减少电池的耗尽。
 
通过Maxim MAX17710为微功率存储单元充电的能量收集。
图2.通过Maxim MAX17710为微功率存储单元充电的能量收集。图片由Maxim Integrated提供
 

始终是正确的力量

凭借高能量存储容量,超级电容器可为依赖于能量收集的设备中的连续负载提供稳定的电力。Murata 的DMH系列超级电容器具有高电容等级,可作为这些器件的能量缓冲器和峰值功率辅助器件。这些超级电容器具有35mF电容,4.5V额定电压和300mΩ静电电阻(ESR),采用20mm x 20mm x 0.4mm封装,适用于空间和电池寿命有限的应用。它们具有纸张薄的外形,可以放置在纽扣电池下方,智能卡内部或设备屏幕后面。主要应用包括可穿戴技术,零售系统,电子阅读器和低调I / O智能设备。
 

开发新产品

的eZ430-RF2500-SHE德州仪器太阳能采集开发工具,使设计工程师创建和测试永久供电的无线传感器网络。在超低功耗MCU的驱动下,该工具包括一个高效太阳能电池板,即使在室内照明条件下,也可以提供足够的电力来运行无线传感器应用,而无需任何额外的电池。
Wurth Electronics的To Go Kit提供能量收集,能源管理和存储在一个包中,也是一个完整的开发工具。该套件包括一个太阳能电池(32mm x 50mm)和一个热电发生器(40mm x 40mm)作为两个能量收集源,并配备一个使用48MHz ARM Cortex™M3内核的EFM32 Giant Gecko MCU。
随着能量收集技术几乎无处不在地显示绿色能源的前景,研究人员正忙于探索新的应用可能性。在一个这样的案例中,密歇根大学的科学家通过开发一种能够从人类心跳中获取能量的装置,从而为心脏起搏器或植入式除颤器供电,从而达到了该技术的核心。这种发展可以潜在地消除与关键医疗设备的定期电池更换相关的风险和麻烦。同样,研究人员还致力于从人体热量,运动和振动中获取能量,以支持植入式物联网设备的功率需求。能源在各地都很丰富,但目前,可用电力并非如此。能量收集弥补了这一差距,因此,

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