能(néng)量收集有(yǒu)助于改进边缘物(wù)联网设备

2021-10-24

能(néng)量收集有(yǒu)助于改进边缘物(wù)联网设备

如果我们想提高生活质量并确保長(cháng)期可(kě)持续性，智能(néng)生活是一个至关重要的方面。这就是為(wèi)什么企业正在转向数字化转型并且物(wù)联网项目正在取得进展。最流行的物(wù)联网端点是传感器，或者不太常见的执行器，它们以无線(xiàn)方式连接到聚合设备或互联网网关。在智慧城市、智慧工业或智慧农业等环境中，它们通常会大量部署并覆盖较大的地理(lǐ)區(qū)域。现场维护，包括更换用(yòng)完的電(diàn)池，是一个昂贵的过程，而放電(diàn)的電(diàn)池代表着一个非常大的环境问题。在端点的设计过程中，工程师可(kě)以通过提供足够的能(néng)量来延長(cháng)设备的预期寿命，从而避免更换電(diàn)池，这可(kě)能(néng)需要一些时间。由于尺寸限制，纽扣電(diàn)池外形通常是首选。如果存储的能(néng)量不能(néng)满足系统的要求，用(yòng)更大的電(diàn)池替换電(diàn)池可(kě)能(néng)是一个很(hěn)好的解决方案。另一种选择是重新(xīn)设计電(diàn)路，以将系统总能(néng)耗降低到可(kě)用(yòng)单元存储以下。一种或两种策略，或两者的组合，可(kě)能(néng)无法达到预期的结果。微瓦或毫瓦范围内的微能(néng)量收集可(kě)以提供有(yǒu)用(yòng)且可(kě)能(néng)无限的从周围环境收集的電(diàn)能(néng)供应。根据应用(yòng)和可(kě)用(yòng)的环境能(néng)量，这可(kě)以补充或替代原電(diàn)池。電(diàn)路可(kě)能(néng)直接由捕获和转换的能(néng)量供電(diàn)。另一方面，在需要之前将能(néng)量存储在缓冲器中可(kě)能(néng)是更好的选择。在任何情况下，都需要能(néng)够满足应用(yòng)需求的适当环境能(néng)源。

在任何情况下，都需要合适的环境能(néng)源，能(néng)够满足应用(yòng)的需要。在物(wù)联网端点的各个子系统中，无線(xiàn)電(diàn)的能(néng)源需求最大。分(fēn)析这里的需求，為(wèi)能(néng)量收集系统的设计和集成提供信息可(kě)能(néng)是有(yǒu)益的。

无線(xiàn)電(diàn)子系统功耗

选择最合适的无線(xiàn)技术以尽可(kě)能(néng)低的功耗提供所需的数据速率和通信范围至关重要。

如果传感器的位置距离聚合器或网关（例如连接到 Internet 或通过本地電(diàn)信交换机的集線(xiàn)器或路由器）只有(yǒu)很(hěn)短的距离，则蓝牙、Zigbee 或 Wi-Fi 等技术可(kě)能(néng)是合适的，具體(tǐ)取决于所需的数据速率以及成本限制。在其他(tā)情况下，例如端点分(fēn)布在地理(lǐ)上很(hěn)大的區(qū)域，可(kě)能(néng)需要 LPWAN 或蜂窝连接。图 1 比较了物(wù)联网应用(yòng)中使用(yòng)的主要技术的功耗、数据速率、典型最大范围和相对成本。

图 1：流行的物(wù)联网无線(xiàn)通信技术的比较。

范围、数据速率和功耗也可(kě)以用(yòng)数字表示，以帮助直接比较。如图 2 所示，无線(xiàn)子系统的功耗可(kě)低至 150µW 至 400mW。

图 2：数据速率、带宽和功耗之间的比较。

要充分(fēn)了解对系统整體(tǐ)能(néng)源需求的影响，还需要考虑占空比。智能(néng)公用(yòng)事业仪表等应用(yòng)涉及每天或每隔几天发送几次小(xiǎo)数据包。其他(tā)设备（例如安全摄像头）可(kě)能(néng)需要频繁或连续发送大量数据。根据应用(yòng)的不同，可(kě)以通过在传输之前在系统内本地过滤数据来减少占空比；相机可(kě)能(néng)装有(yǒu)运动传感器，仅在检测到活动时才开始记录，或者嵌入式图像处理(lǐ)可(kě)能(néng)会丢弃无趣的数据。当然，过滤数据所需的能(néng)量必须与降低占空比节省的能(néng)量进行比较，以确保净收益。

环境能(néng)源

了解无線(xiàn)子系统所需的能(néng)量和功率后，就可(kě)以评估合适的环境源和微能(néng)量收集技术。

适合為(wèi)这些系统供電(diàn)的主要微型能(néng)量收集技术是太阳能(néng)電(diàn)池阵列、由振动激活的压電(diàn)或静電(diàn)转换器，以及将温度梯度转换為(wèi)電(diàn)动势 (EMF) 的珀尔帖设备。通过贴片或線(xiàn)圈天線(xiàn)捕获的射频能(néng)源往往不适用(yòng)于除最节俭的物(wù)联网应用(yòng)之外的所有(yǒu)应用(yòng)。图 3 比较了与这些技术相关的典型能(néng)量密度。使用(yòng)此信息，可(kě)以通过评估可(kě)用(yòng)组件的尺寸和性能(néng)来选择技术并开始制定规范。

图 3：收集的环境能(néng)源的功率密度。

面积為(wèi) 35-40cm 2 的太阳能(néng)電(diàn)池 可(kě)产生约 0.5 瓦的功率，假设效率约為(wèi) 20%。这些产品的每台售价不到 1 美元，而压電(diàn)采集器通常至少要贵一个数量级，并且产生的能(néng)量更少。众所周知，太阳能(néng)電(diàn)池在室内使用(yòng)时效率较低。然而，最近推出了一些室内太阳能(néng)收集器，声称可(kě)以為(wèi)低功率无線(xiàn)電(diàn)提供足够的输出。

把这一切放在一起

利用(yòng)这些进步，微能(néng)量收集可(kě)以被视為(wèi)减少或消除物(wù)联网端点電(diàn)池的解决方案。因為(wèi)当物(wù)联网设备需要传输或接收数据时，能(néng)源本身通常是不规则的并且不一定可(kě)用(yòng)，因此通常需要能(néng)量缓冲器或存储设备。这可(kě)以是可(kě)充電(diàn)電(diàn)池或電(diàn)容器（或超级電(diàn)容器）。需要一个能(néng)量收集電(diàn)源管理(lǐ) IC (EH PMIC) 来处理(lǐ)来自收集子系统的能(néng)量，管理(lǐ)提供给能(néng)量缓冲器的電(diàn)荷，并在需要时為(wèi)负载供電(diàn)，如图 4 所示。各种能(néng)量收集技术具有(yǒu)不同的電(diàn)气特性。热電(diàn)采集器在低電(diàn)压下产生连续的直流電(diàn)流，因此具有(yǒu)低阻抗。虽然太阳能(néng)電(diàn)池也会产生低直流電(diàn)压

图 4：EH PMIC 处理(lǐ)能(néng)量缓冲器的充電(diàn)和应用(yòng)供電(diàn)

当今市场上的典型 EH PMICS 具有(yǒu)固定的架构和输入電(diàn)压范围，旨在与特定类型的采集器配合使用(yòng)。如果单独的一个来源不能(néng)满足系统要求，这就排除了使用(yòng)替代收集器来捕获额外的环境能(néng)量的可(kě)能(néng)性。因此，如果需要多(duō)个能(néng)源，则每个能(néng)源都需要一个专用(yòng)的 EH PMIC。这会增加系统成本、尺寸和功耗，并且还会使设计复杂化。

一些 EH PMIC 可(kě)以使用(yòng)外部電(diàn)路进行修改，以调节能(néng)量收集器的输出。然而，為(wèi)了简化系统设计，Trameto 的 EH PMIC（称為(wèi) OptiJoule）提供的输入可(kě)以自动适应各种类型的连接采集器，并最大限度地提高输送到缓冲器的功率，而无需外部電(diàn)路。版本可(kě)用(yòng)于单个输入或最多(duō)四个输入。多(duō)输入版本具有(yǒu)连接相似或不同类型收割机的灵活性。因此，借助 OptiJoule 设备，可(kě)以扩展微能(néng)量收集能(néng)力，将单个 PMIC 用(yòng)于多(duō)种应用(yòng)，甚至可(kě)以将能(néng)量收集技术的选择推迟到产品开发后期（如果需要）。

结论

通过优化无線(xiàn)電(diàn)协议、低能(néng)耗微处理(lǐ)器设计、低功率传感器的发展以及微能(néng)量收集效率的提高，环境能(néng)量已成為(wèi)帮助减少或消除对電(diàn)池的依赖并延長(cháng)物(wù)联网终端运行寿命的可(kě)行来源。在集成选定的微能(néng)量收集技术时，EH PMIC 的最新(xīn)发展為(wèi)管理(lǐ)尺寸、成本和复杂性提供了额外的灵活性。