能量收集有助于改进边缘物联网设备

2021-10-24

能量收集有助于改进边缘物联网设备

如果我们想提高生活质量并确保长期可持续性，智能生活是一个至关重要的方面。这就是为什么企业正在转向数字化转型并且物联网项目正在取得进展。最流行的物联网端点是传感器，或者不太常见的执行器，它们以无线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区域。现场维护，包括更换用完的电池，是一个昂贵的过程，而放电的电池代表着一个非常大的环境问题。在端点的设计过程中，工程师可以通过提供足够的能量来延长设备的预期寿命，从而避免更换电池，这可能需要一些时间。由于尺寸限制，纽扣电池外形通常是首选。如果存储的能量不能满足系统的要求，用更大的电池替换电池可能是一个很好的解决方案。另一种选择是重新设计电路，以将系统总能耗降低到可用单元存储以下。一种或两种策略，或两者的组合，可能无法达到预期的结果。微瓦或毫瓦范围内的微能量收集可以提供有用且可能无限的从周围环境收集的电能供应。根据应用和可用的环境能量，这可以补充或替代原电池。电路可能直接由捕获和转换的能量供电。另一方面，在需要之前将能量存储在缓冲器中可能是更好的选择。在任何情况下，都需要能够满足应用需求的适当环境能源。

在任何情况下，都需要合适的环境能源，能够满足应用的需要。在物联网端点的各个子系统中，无线电的能源需求最大。分析这里的需求，为能量收集系统的设计和集成提供信息可能是有益的。

无线电子系统功耗

选择最合适的无线技术以尽可能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 或通过本地电信交换机的集线器或路由器）只有很短的距离，则蓝牙、Zigbee 或 Wi-Fi 等技术可能是合适的，具体取决于所需的数据速率以及成本限制。在其他情况下，例如端点分布在地理上很大的区域，可能需要 LPWAN 或蜂窝连接。图 1 比较了物联网应用中使用的主要技术的功耗、数据速率、典型最大范围和相对成本。

图 1：流行的物联网无线通信技术的比较。

范围、数据速率和功耗也可以用数字表示，以帮助直接比较。如图 2 所示，无线子系统的功耗可低至 150µW 至 400mW。

图 2：数据速率、带宽和功耗之间的比较。

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

环境能源

了解无线子系统所需的能量和功率后，就可以评估合适的环境源和微能量收集技术。

适合为这些系统供电的主要微型能量收集技术是太阳能电池阵列、由振动激活的压电或静电转换器，以及将温度梯度转换为电动势 (EMF) 的珀尔帖设备。通过贴片或线圈天线捕获的射频能源往往不适用于除最节俭的物联网应用之外的所有应用。图 3 比较了与这些技术相关的典型能量密度。使用此信息，可以通过评估可用组件的尺寸和性能来选择技术并开始制定规范。

图 3：收集的环境能源的功率密度。

面积为 35-40cm 2 的太阳能电池 可产生约 0.5 瓦的功率，假设效率约为 20%。这些产品的每台售价不到 1 美元，而压电采集器通常至少要贵一个数量级，并且产生的能量更少。众所周知，太阳能电池在室内使用时效率较低。然而，最近推出了一些室内太阳能收集器，声称可以为低功率无线电提供足够的输出。

把这一切放在一起

利用这些进步，微能量收集可以被视为减少或消除物联网端点电池的解决方案。因为当物联网设备需要传输或接收数据时，能源本身通常是不规则的并且不一定可用，因此通常需要能量缓冲器或存储设备。这可以是可充电电池或电容器（或超级电容器）。需要一个能量收集电源管理 IC (EH PMIC) 来处理来自收集子系统的能量，管理提供给能量缓冲器的电荷，并在需要时为负载供电，如图 4 所示。各种能量收集技术具有不同的电气特性。热电采集器在低电压下产生连续的直流电流，因此具有低阻抗。虽然太阳能电池也会产生低直流电压

图 4：EH PMIC 处理能量缓冲器的充电和应用供电

当今市场上的典型 EH PMICS 具有固定的架构和输入电压范围，旨在与特定类型的采集器配合使用。如果单独的一个来源不能满足系统要求，这就排除了使用替代收集器来捕获额外的环境能量的可能性。因此，如果需要多个能源，则每个能源都需要一个专用的 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 可以使用外部电路进行修改，以调节能量收集器的输出。然而，为了简化系统设计，Trameto 的 EH PMIC（称为 OptiJoule）提供的输入可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，而无需外部电路。版本可用于单个输入或最多四个输入。多输入版本具有连接相似或不同类型收割机的灵活性。因此，借助 OptiJoule 设备，可以扩展微能量收集能力，将单个 PMIC 用于多种应用，甚至可以将能量收集技术的选择推迟到产品开发后期（如果需要）。

结论

通过优化无线电协议、低能耗微处理器设计、低功率传感器的发展以及微能量收集效率的提高，环境能量已成为帮助减少或消除对电池的依赖并延长物联网终端运行寿命的可行来源。在集成选定的微能量收集技术时，EH PMIC 的最新发展为管理尺寸、成本和复杂性提供了额外的灵活性。