如何以及何時(shí)使用能量收集為大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)提供動力

5G 的推出導(dǎo)致工業(yè) 4.0 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能物流、智能城市、智能農(nóng)業(yè)和其他大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的數(shù)量激增。在此過程中，它為設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會，可以重新考慮網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的許多方面，包括新的功耗范式。

為數(shù)十億個(gè)無線節(jié)點(diǎn)提供可擴(kuò)展且可靠的電源是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題。如果不解決，大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)的推出將受到阻礙。僅僅使用更多的電池是不夠的。在越來越多的情況下，必須補(bǔ)充或消除電池。取而代之的是，將需要各種形式的能量收集（EH）來為大型物聯(lián)網(wǎng)的大部分提供動力。對于設(shè)計(jì)人員來說幸運(yùn)的是，EH技術(shù)不斷進(jìn)步，使其成為為大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電的越來越有吸引力的替代方案。

本博客簡要回顧了為數(shù)十億大型物聯(lián)網(wǎng)無線節(jié)點(diǎn)供電時(shí)面臨的挑戰(zhàn)，以及在確定EH是否可以提供可行解決方案時(shí)需要考慮的一些因素。然后，它回顧了EM Microelectronics和Nowi的能量收集電源管理IC以及開發(fā)環(huán)境，以加快大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)中EH的評估。

在決定如何為大型物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)供電時(shí)要考慮的五個(gè)因素是：

• 數(shù)據(jù)速率
• 傳輸范圍
• 延遲
• 操作環(huán)境
• 環(huán)境影響和管理/物流

數(shù)據(jù)速率、范圍和延遲會影響節(jié)點(diǎn)的峰值和平均功率需求，并取決于所使用的無線通信協(xié)議。例如，當(dāng)使用低功耗藍(lán)牙時(shí)，10厘米（cm）方形光伏（PV）面板可以大約支持?jǐn)?shù)據(jù)包的定期傳輸：

• 在零售店的室內(nèi)照明水平下每 100 毫秒 （ms） 一次
• 在典型辦公環(huán)境中的照明水平下每 200 ms
• 在倉庫和工廠的照明水平下每 2 秒

工作環(huán)境也會影響電池的適用性和成本。在零售店或辦公室等相對良性的環(huán)境中，較便宜的電池可以提供合理的使用壽命，使EH相對更昂貴。如果無線節(jié)點(diǎn)部署在惡劣的工業(yè)或室外環(huán)境中，則需要更昂貴的電池化學(xué)成分，使EH相對更具吸引力。

環(huán)境影響和管理問題也進(jìn)入了畫面。原電池的使用壽命有限，這增加了所需的電池更換次數(shù)，增加了維護(hù)和管理/物流成本，并導(dǎo)致電池處理對環(huán)境的負(fù)面影響。為了解決這些眾多問題，設(shè)計(jì)人員可以從幾種支持EH的替代電源架構(gòu)中進(jìn)行選擇：

• 具有補(bǔ)充 EH 的原電池電源可延長電池壽命，在保持電池電源優(yōu)勢的同時(shí)減少負(fù)面影響
• 可充電電池與EH相結(jié)合，可提供更長的使用壽命并無需更換電池
• 電容器或超級電容器與EH相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)無電池系統(tǒng)和最長的使用壽命

EH 控制器和電源管理 IC

對于可以從組合電源管理 IC （PMIC） 和 EH 控制器中受益的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)向 EM Microelectronic的 EM8500。該 PMIC 為 EH 源提供最大功率點(diǎn)跟蹤 （MPPT），并為各種系統(tǒng)功能提供四個(gè)獨(dú)立的輸出電壓（圖 1）。它可以與各種EH技術(shù)接口，包括微瓦（μW）至毫瓦（mW）范圍內(nèi)的熱發(fā)電機(jī)（TEG）和光伏電池。EM8500 可與一次電池或二次電池、傳統(tǒng)電容器或超級電容器結(jié)合使用。型號 EM8500-A001-LF24B+采用 4 x 4 mm 24 引腳 QFN 封裝。

圖 1：EM8500 PMIC 包括用于 EH 源的 MPPT，并為系統(tǒng)提供四個(gè)輸出電壓。（圖片來源：EM微電子）

EM8500 開發(fā)套件

設(shè)計(jì)人員可以使用 EMDVK8500 開發(fā)套件來配置和評估 EM8500（圖 2）。該開發(fā)套件包括配置 EM8500 所需的軟件以及用于測量最終解決方案性能的工具。

圖 2：EMDVK8500 可以配置 EM8500 PMIC 并測量最終解決方案的性能。（圖片來源：EM微電子）

EH 控制器 IC 和評估板

對于不需要完整電源管理解決方案的設(shè)計(jì)，Nowi 的 NH2D0245是一款緊湊的高性能 EH 控制器，具有 MPPT，采用 16 引腳、3 × 3 mm QFN 封裝，適用于低功耗應(yīng)用。NH2D0245 可與各種 EH 源配合使用，包括光伏、電感和壓電，以及可充電電池或超級電容器等儲能設(shè)備。MPPT算法獨(dú)立于特定的收割機(jī)運(yùn)行，可以以1秒的間隔檢測最大功率點(diǎn)，從而最大限度地提高動態(tài)環(huán)境中的效率。

NH2D0245評估板旨在加快NH2D0245的性能和特性測試（圖3）。要使用此評估板，需要能量收集器、電池或超級電容器以及萬用表。如果使用具有交流 （AC） 輸出的 EH，例如壓電收集器，則必須在 EH 和評估板的直流 （DC） 輸入之間添加整流器。

圖 3：NH2D0245 評估板可以加快 EH 控制器功能和性能的測試。（圖片來源：Nowi）

結(jié)論

由5G支持的大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)的推出將為設(shè)計(jì)人員提供令人興奮的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，以重新考慮無線節(jié)點(diǎn)的供電方式。必須考慮各種技術(shù)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)因素，以確定每種應(yīng)用的最佳電源架構(gòu)。有必要使用各種基于EH的方法來增強(qiáng)電池的能力。在許多情況下，EH將與一次或二次電池，傳統(tǒng)電容器或超級電容器結(jié)合使用。

審核編輯 黃宇