星火燎原，能量收集技术如何为边缘电池供电系统“续命”
发布时间：2022-4-21 11:08
发布者：eechina
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来源：贸泽电子 作者：Doctor M 当前，电子设备和日常生活工作密不可分，物联网市场飞速发展。长期以来，物联网所形成的巨大市场和数以亿计的庞大设备数量已经逐渐为人们所熟知。 然而，随着物联网发展以及应用场景的复杂化，一方面可移动的终端设备正在变得越来越多，有线电源并非长久之计；另一方面，部分边缘设备被安置在野外或者不易更换电池的位置，加大了维护电源的难度。边缘设备的电池寿命和供电方式正在成为物联网设备生命周期管理的限制因素之一。 因此，如何为这数十亿设备供电是行业目前着力思考的难题并需要寻求出行之有效的解决方案，设备的供能方式、电池问题正在成为新的挑战。 为了解决这个问题，一种用于从环境中收集能量，然后将其转换为电能为负载供电或为电池充电的能量收集技术应运而生。能量收集技术能够利用多种能源，包括光、热、射频和振动源，转换的电量可直接使用或储存下来留作未来使用。对于无法使用本地电网或不易更换电池的遥距部署设备，能量收集解决方案在为电子设备提供可替代电源或为电池供电边缘设备“续命”方面表现出卓越的效果。 
图1：不同能源的分布功率密度及可收集功率密度情况 目前市场上已有几种可行的技术，大部分已经开始投入部署应用，逐渐受到物联网无线传感器、工业设备、楼宇自动化、智能电网、农业等众多领域的关注和采用，以便使产品的整个生命周期得到优化。 简单来说，能源收集技术是利用环境中的能量为设备的电池供电系统“续命”，同时节省原本要花费在电池系统上的投入和时间。根据市场研究公司IDTechEx的数据，预计到2022年，全球每年的能量收集收入将超过50亿美元，市场前景广阔。 如何应对电池供电新挑战 从流程来看，能量收集系统基本分为收集、调节和储存几个步骤。能量采集器从能量源捕获能量并输出电能，接下来通过电源管理IC调节输入电压以适应负载要求，或者将电能储存到存储设备中备用。 能量收集技术遇到的问题是要想将收集到的能量真正派上用场，既需要解决芯片自身低功耗的问题，还要考虑如何大幅提高转换效率。 例如太阳能作为一种非常环保的能源，但发电的转换效率非常低，只有20%左右，导致好不容易收集起来的能量没有得到较好的利用，白白损耗掉了。 因此，这对能量采集芯片设计提出了新的要求和挑战。 同时，如何管理与应用微能量也是值得关注的技术方向，需要积少成多地把能量收集并管理起来，涉及到能量存储及减小漏电流的问题。需要有能连续存储并漏电流极低的存储器件，只有漏电流远远小于收集的能量，这些采集来的能量才有可能会被用到，用来驱动一些短暂或脉冲型的负载。 此外，对于那些连续工作的负载，低功耗和超低功耗器件是其关键。只有这些超低功耗的器件的工作损耗与采集的能量及这些能量的管理达到平衡，能量收集才能真正被广泛应用。 可见，在广阔的市场前景和应用潜力之下，能量收集技术仍有一些亟待解决的市场瓶颈和技术挑战。随着能量收集市场的不断扩大，以及当前行业面临的诸多技术痛点的驱动，很多公司都投入到开发能量收集芯片中来，也在各自专注的细分领域中开发出了很多创新技术，让能量收集系统变得可行。 ADI ADP5091 以能量收集系统为例，贸泽电子在售的来自ADI的ADP5091是一款智能集成式能量采集nA级管理解决方案，可高效转换来自光伏电池或热电发生器（TEG）的直流电源。该器件可对储能元件（如可充电锂离子电池、薄膜电池、超级电容和传统电容）进行充电，并对小型电子设备和无电池系统上电。 ADP5091能提供有限采集能量（从16μW到600mW范围）的高效转换，工作损耗为亚μW级别。利用内部冷启动电路，调节器可在低至380mV的输入电压下启动。冷启动后，调节器便可在80mV至3.3V的输入电压范围内正常工作。额外的150mA调节输出可通过外部电阻分压器或VID引脚编程。 
图2：ADP5091典型应用电路（图源：ADI） 了解ADP5091更多信息，请点击这里» 通过检测输入电压，控制环路可将输入电压纹波限定在固定范围内，从而保持稳定的DC-DC升压转换。在OCV动态检测模式和非检测模式下，输入电压的编程调节点允许较大限度地提取采集器的能量。可编程较低工作阈值（MINOP）以在低光照条件下实现升压关断。此外，DIS_SW引脚还能暂时关断升压调节器，对RF传输友好。 对于如何提高太阳能的转换效率，ADP5091芯片特别设计了MPPT控制功能来保证太阳能电池板能一直工作在最大功率点上，只需要手表盘大小的太阳能电池板即可工作。 该产品方案在故障指示器中可以进行实例应用。在新兴的电力配电网自动化热潮中，架空型故障指示器是一个悬挂在10KV电力线上，没有任何外部供电装置并能长时间工作的传感设备。当用电线路故障发生时，它会检测并发送警报，使得线路工作人员能够在短时间内检修故障设备。过去因电力公司的预算和资源有限，面对高昂的累计采购成本和大量的经常性维护工作，往往无法在庞大的电力基础设施中部署更多故障指示器。 因此，在国家电网的新要求中，电流互感器（CT）取电作为了主要的供电方式，并加入了更多的功能要求，智能能量采集/管理和超低功耗成为了客户设计中的关键。对此，采用ADP5091芯片的能源管理方案可以实现对电流互感器的能量采集，对超级电容的充电管理并支持最大功率点跟踪（MPPT）用来提高充电效率，实现对后续电路的稳定电源提供及后备电池的管理，并可以支持多种能量源的采集。通过优化的最大功率点跟踪实现了超过90％的功率转换效率。 ADI高度集成的解决方案对于紧凑型布局极其有利，可减少设计复杂性，很好地实现了用一颗芯片管理所有的能量采集、充电及电源管理，能够高效采集电能，而且只需更少的维护，并支持系统更快启动、功耗更低和运行更平稳，能非常显著地节约运营成本。 除了上述提到的应用，采用能量采集芯片ADP5091的能源管理方案还适用于光伏电池能量采集、TEG能量采集、工业监控、自供电式无线传感器设备以及具有能量采集功能的便携式和可穿戴式设备。 边缘设备电池供电的优化策略 在物联网应用中的小型太阳能供电无线传感器应用中，无线传感器网络作为一种由大量传感器节点构成的特殊网络，用于数据的采集和传输。然而，由于各网络节点的设计属性，布置在野外的无线传感网络的供电问题极大地束缚了该系统的生命周期，如何在供电受限的情况下有效延长网络节点的电池工作寿命，显得尤为关键。 在该应用中，太阳能供电能解决野外长时间无人监护的网络节点的供电问题，还具有供电持久，节能环保的优点，具有良好的应用前景。但是收集完能量之后，如何调节所收集的能量并保持连接负载的稳定电源也是需要考虑的问题。 对此，英飞凌旗下Cypress的能量收集电源管理IC S6AE101A能够解决这一难题。 Infineon S6AE101A S6AE101A专为超低功耗部署而设计，启动功率为1.2μW，消耗电流低至250nA，设计用于配合尺寸小至1cm2的太阳能电池使用。通过使用该芯片，在大约100lx的低照度条件下，紧凑型太阳能电池可以提供足够的功率供物联网设备运行。 
图3：S6AE101A芯片框图 (图源：贸泽电子) 了解S6AE101A更新信息，请点击这里» 同时，该芯片采用内置的开关控制可将产生的电能存储在输出电容器中。如果太阳能电池的电力不足以满足所连接的负载需求，电池储备的电力还可以进行补充。 贸泽电子在售的S6SAE101A太阳能物联网设备套件为开发具有BLE无线连接的太阳能物联网设备提供了一个易于使用的平台。受益于S6AE101A的低功耗特性，该开发套件成为了太阳能或光能供电的能量收集系统（EHS）的理想选择。此外，S6AE101A还支持使用太阳能电池能量收集装置（EHD）和纽扣电池的混合EHS，以及带有外部二极管电桥的可选振动EHD，为各种物联网设备的使用提供了高度灵活性。 
图4：S6SAE101A太阳能物联网设备套件 (图源：贸泽电子) 了解S6SAE101A太阳能物联网设备套件更多信息，请点击这里» 参数特性方面，开发套件包含了能量收集主板、BLE-USB桥接器、太阳能组件（松下AM-1801）、两条跨接线、220μF电容和10Ω电阻、USB接口和Mini-B电缆，以及快速入门指南，帮助工程师和用户应对来自边缘设备供电问题的挑战。 从环境中获取的能量可以提供持续的电力来源，适用于许多应用。然而，用于提取能量的可用能量存储装置和换能器的输出可能低于设备的参数要求。因此，在构建高效能量采集设计时，工程师可以根据受电设备的要求，利用转换器来调整电压电平。 TI TPS61099x 贸泽电子在售的来自Texas Instruments的TPS61099x就是一款具有1μA超低静态电流的同步升压转换器。该器件专为由碱性电池、镍氢充电电池、锂锰电池或锂离子充电电池供电的产品而设计，能够在轻载条件下高效运行，这对延长电池使用寿命至关重要。 
图5：TPS61099x升压转换器 (图源：TI) ☞了解TPS61099x更多信息，请点击这里» 特性方面，TPS61099x同步升压转换器的工作输入电压范围为0.7V至5.5V，可调输出电压范围为1.8V至5.5V，能够提供固定输出电压版本。TPS61099x系列升压转换器采用迟滞控制拓扑，能够以小静态电流实现高效率，在轻载条件下仅消耗1μA静态电流，在10μA负载下可实现高达75%的效率（固定输出电压版本）。此外，该器件在3.3V至5V转换过程中支持高达300mA的输出电流，在200mA负载条件下，效率高达93%。 在电池供电系统应用中，TPS61099x还能为不同应用提供降压模式和直通操作。此外，TPS61099x在禁用状态下能够将负载与输入电源断开，真正实现关断，从而降低电流消耗。 同时，贸泽电子在售的TPS61099EVM-023和TPS61099EVM-768升压转换器评估模块，能够用来配置和设计用于评估TPS61099x同步升压转换器的特性指标，有助于设计人员评估TPS61099x转换器的运行情况和性能，让用户能够借助包括升压转换器在内的能量收集系统来应对设备电池供电部分的痛点和挑战。 综上所述，通过贸泽电子在售的多种类型的能量收集系统产品和开发套件，为物联网和其他设备的电池供电问题提供了多种解决方案，可选的能量收集技术种类很多。用户可以根据所处的环境和具体应用，结合预算、目标等维度，根据条件选择合适的解决方案。 能量收集技术加速物联网快速增长 物联网的普及带来一波边缘节点设备和应用的爆发，让业界越来越多的认识到在边缘节点收集和处理信息的作用和价值。而值得注意的是，部分电池供电设备被安置在野外或者不易更换电池的位置，要设备长期稳定工作，关键在于能量收集和电源管理技术的优化。 当前，随着能量收集技术在多领域展现出的光明前景，研究人员正在努力探索新的可能应用。未来，我们将会看到更多为能量收集而设计的电源管理产品以及低功耗微控制器，从而推动物联网和边缘设备市场的向前发展。 在这个过程中，贸泽电子销售的半导体产品和评估工具将极大地促进能量收集技术在各应用领域的研发和部署，为电池供电边缘设备“续命”持续助力。 |
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