一文讀懂嵌入式設(shè)備的能量采集技術(shù)

能量采集的發(fā)展有兩個(gè)焦點(diǎn)：一方面，要著眼能量轉(zhuǎn)換本身（該技術(shù)尚未成熟，但不久以后會(huì)涌現(xiàn)大量應(yīng)用）；另一方面，業(yè)界正在研究超低功耗傳感器節(jié)點(diǎn)器件，nA級(jí)的功耗對(duì)電池壽命的影響極小。

如果你的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目不是機(jī)器人或機(jī)器工具，那么它可能是（或包含有）遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)。它將會(huì)使用小型化電池為自身供電。理想情況下，物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目中采用能量采集技術(shù)為的是完全去掉電池。更有可能的情況是，所采集的能源是用來(lái)補(bǔ)充電池輸出，從而使電池使用時(shí)間更長(zhǎng)。因此，能量采集的發(fā)展有兩個(gè)焦點(diǎn)：一方面，要著眼能量轉(zhuǎn)換本身（該技術(shù)尚未成熟，但不久以后會(huì)涌現(xiàn)大量應(yīng)用）；另一方面，業(yè)界正在研究超低功耗傳感器節(jié)點(diǎn)器件，nA級(jí)的功耗對(duì)電池壽命的影響極小。

具有諷刺意味的是，一些遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)被稱為“能量采集器”（在某些產(chǎn)品資料中稱為“EH”）。它們使用只需很小電流就可工作的器件——如μA/MHz級(jí)功耗的微處理器。EH開(kāi)發(fā)套件的發(fā)展主題不是將環(huán)境能量轉(zhuǎn)換為可用直流電壓的技術(shù)，而是傳感器、信號(hào)調(diào)理IC、微功耗控制器和通信端口等超低功耗系統(tǒng)器件，從而使電池顯得可有可無(wú)。

事實(shí)上，盡管有若干不斷演進(jìn)的技術(shù)（例如可以利用光伏面板進(jìn)行大規(guī)模能量轉(zhuǎn)換），能量采集技術(shù)實(shí)際上還處于起步階段。目前，屋頂太陽(yáng)能電池板可以轉(zhuǎn)換足夠的能量來(lái)為家庭或辦公室供電。但大規(guī)模儲(chǔ)能仍是挑戰(zhàn)。電容式存儲(chǔ)系統(tǒng)（一些與翻斗車(chē)一樣大）可提供長(zhǎng)期可用儲(chǔ)能，但對(duì)于嵌入式移動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這類(lèi)系統(tǒng)基本不具便攜性。

能量采集換能器的尺寸仍然是能量采集技術(shù)的關(guān)鍵。大功率系統(tǒng)依賴于更大的能量轉(zhuǎn)換器：太陽(yáng)能電池可提供100mW/cm2功率——1cm2就足以為袖珍計(jì)算器供電。但是通過(guò)其他能量采集技術(shù)采集到的能量卻達(dá)不到這個(gè)指標(biāo)。熱梯度能量采集器可提供10mW/cm2；振動(dòng)（壓電）能量采集器可提供100μW/cm2。射頻（RF）能量采集器由于有太多的能量可以收集，似乎很受歡迎，但它才產(chǎn)生0.1μW（100pW）/cm2。

能量采集技術(shù)

環(huán)境能量轉(zhuǎn)換器的效率雖然不是特別高，但仍受其工作環(huán)境的制約。舉個(gè)荒謬的例子，盡管可以使用染料升華技術(shù)（DSSC）調(diào)節(jié)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器對(duì)室內(nèi)照明波長(zhǎng)（例如由熒光管發(fā)射的約600nm波長(zhǎng)）的靈敏度，你也不會(huì)從鎖在室內(nèi)衣柜中的太陽(yáng)能電池采集到很多能量。

壓電器件（異質(zhì)金屬“夾層”）可以通過(guò)機(jī)械形變產(chǎn)生可用電壓，但與傳感器的面積和形變相比，采集的電能仍然非常小。你可以用鞋內(nèi)的壓電器件產(chǎn)生的能量為你的手機(jī)電池充電，但這需要一周時(shí)間。

熱梯度是一種不同類(lèi)型的“夾層”，聲稱具有高轉(zhuǎn)換效率和高輸出。它利用的是塞貝克效應(yīng)，且半導(dǎo)體夾在熱板和冷板之間。雖然支持者聲稱具有高轉(zhuǎn)換效率，但是采集的電量是熱冷板（它們的尺寸和冷熱金屬之間溫差）的函數(shù)。溫差越大，可用的電能就越大。但是，這種能量轉(zhuǎn)換方式只有在溫差大的地方（像在加拿大北極地帶有一塊熱板一樣），效果才最佳。

壓電式能量采集器的應(yīng)用包括運(yùn)動(dòng)器件和振動(dòng)監(jiān)視器。無(wú)線HVAC傳感器和移動(dòng)資產(chǎn)跟蹤在各制造商的產(chǎn)品資料中被確定為可行的傳感器；壓電器件似乎更適合于檢測(cè)機(jī)械力和形變，而不是氣態(tài)條件（如溫度和濕度）。

智能樓宇應(yīng)用

智能樓宇用能量采集器主要是HVAC傳感器，用于監(jiān)視會(huì)議室占用（紅外線功能）以及空氣溫度、濕度和CO2含量。其他智能樓宇傳感器用于監(jiān)視照明（包括窗燈、房間燈和遮陽(yáng)控制）。安全傳感器用于檢查房間非法占用和侵?jǐn)_。電力公司監(jiān)控可執(zhí)行抄表和電能使用錯(cuò)峰控制。EH系統(tǒng)提供“平臺(tái)即服務(wù)”（PaaS）云服務(wù)交互，可實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙和其他網(wǎng)絡(luò)通信。

郵箱功能（如設(shè)備服務(wù)標(biāo)簽）與微控制器配合使用。對(duì)于數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用，EH模塊可支持冷凍食品運(yùn)輸?shù)睦滏湑r(shí)間和溫度監(jiān)測(cè)。醫(yī)療應(yīng)用包括智能貼片，其中傳感器用于監(jiān)測(cè)血糖、體溫、濕度、pH值和氧氣含量。（德州儀器的網(wǎng)站有氣體檢測(cè)器參考設(shè)計(jì)）

壓電器件的一個(gè)交叉應(yīng)用可能是汽車(chē)輪胎壓力傳感器，它報(bào)告氣體產(chǎn)生的機(jī)械力。壓電運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器應(yīng)用的一個(gè)有趣的新趨勢(shì)是將其整合到織物中，這種技術(shù)可支持可穿戴技術(shù)。

圖1：壓電運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器應(yīng)用的一個(gè)有趣的新趨勢(shì)是將其整合到織物中，這種技術(shù)可支持可穿戴技術(shù)。（來(lái)源：博爾頓大學(xué)）

保持小體積

在技術(shù)開(kāi)發(fā)方面，模擬半導(dǎo)體制造商將其研發(fā)工作重點(diǎn)放在超低功耗半導(dǎo)體，而不是太陽(yáng)能電池或特定調(diào)諧振動(dòng)傳感器?？纱┐髟O(shè)備、遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)（包括網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)）、移動(dòng)傳感器（如氣體檢測(cè)器）和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器需要小型（甚至微型）能量轉(zhuǎn)換器，而不是使用像鐵路機(jī)車(chē)那樣大的能量采集器。

圖2：零功耗傳感器幾乎能夠從任何環(huán)境中收集能量。能源包括光、振動(dòng)、流動(dòng)、運(yùn)動(dòng)、壓力、磁場(chǎng)和RF。（來(lái)源：Cymbet公司）

因此，各半導(dǎo)體制造商在其數(shù)據(jù)表和白皮書(shū)上發(fā)布的公告都強(qiáng)調(diào)超低功耗。像ADI公司LTC3588、美信公司MAX17710或德州儀器公司bq25504這樣的信號(hào)調(diào)理IC即使在多種混合負(fù)載情況下也強(qiáng)調(diào)超低流耗。例如，LTC3588的資料表明，盡管其高阻抗輸入可以面向各種能源，但它對(duì)壓電輸入進(jìn)行了優(yōu)化。LTC3588本質(zhì)上是一款靜態(tài)電流為450nA的低功耗AC-DC轉(zhuǎn)換器。其輸入范圍為2.7V至20V，輸出可低至1.8V，壓差不超過(guò)400mV。

美信聲稱其MAX17710能管理穩(wěn)壓較差的輸入源，輸出功率范圍為1μW至100mW。該器件可以從多種能量轉(zhuǎn)換源提供超過(guò)20mA的電流。TI的BQ25504同樣本質(zhì)上是一款超低功耗高效率的DC-DC，可從低輸入源（例如80mV）提供連續(xù)的能量采集。其靜態(tài)電流小于330nA。

EH處理器

MCU功耗的規(guī)范也類(lèi)似關(guān)注超低功耗應(yīng)用。技術(shù)上，功耗是流耗（μA或nA）與生成電壓（通常為mV）的乘積。在能量采集器的接收端，這個(gè)數(shù)字可能是μV。

IoT常見(jiàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是盡可能減小啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)用器件的體積和流耗。系統(tǒng)模塊（除電源管理器件之外）包括傳感器、傳感器信號(hào)調(diào)理電路、微控制器（μA級(jí)流耗）和用以通知數(shù)據(jù)差異的通信器件（如低功耗藍(lán)牙，BLE）。

ARM Cortex M的各個(gè)版本都夸耀其看似極微的功耗，例如Atmel公司32位ARM Cortex M0+在活動(dòng)模式下的功耗為35μA/MHz。該處理器在睡眠模式下總共消耗200nA。美國(guó)科技博客ARS Technica上的博文“New ARM-powered chip aims for battery life measured in decades”指出，如果我們談?wù)摮志玫碾姵貕勖?，那?duì)這款低功耗微控制器來(lái)說(shuō)，就不僅僅是幾年，而是幾十年。

另一個(gè)例子，賽普拉斯半導(dǎo)體無(wú)線傳感器用能量采集PMIC具有長(zhǎng)時(shí)間間隔中斷定時(shí)器模式，可通過(guò)利用長(zhǎng)時(shí)間間隔待機(jī)來(lái)延長(zhǎng)電池壽命。它與低功耗微控制器（如賽普拉斯的PSoC）配合工作。

MSP432是德州儀器版的ARM Cortex M，具有95μA/MHz的工作電流和850nA的待機(jī)電流。

當(dāng)然，TI在一份微控制器功耗教程中提出建議：實(shí)際的處理器功耗反映的是幾種不同工作情況的總和。工作情況包括活動(dòng)模式和睡眠模式。在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中，微控制器在大部分時(shí)間可能會(huì)休眠。因此，與數(shù)MHz時(shí)鐘下的響應(yīng)相比，睡眠模式功耗可能是更有用的指標(biāo)。

因此，延長(zhǎng)電池壽命似乎完全與休眠和活動(dòng)所用時(shí)間的比例相關(guān)。TI建議，微控制器的功耗“不是一個(gè)數(shù)字”。