不靠電池供電的超低功耗MCU將會如何？答案令人吃驚

/ 能量收集 /

效率的重要性與生俱來。通過利用效率優(yōu)勢讓額外資源的支出發(fā)揮出更大價值，可以提高性能，盡量降低成本并減少浪費。能量收集提供了一種利用環(huán)境能量為電氣設(shè)備供電的方法。對于使用電池的設(shè)備，能量收集可以延長電池的使用壽命或完全替代電池的能量貢獻(xiàn)。

超低功耗 (ULP) MCU是能量收集的合理選擇。這些器件常用于可穿戴技術(shù)、無線傳感器和其他需要延長電池使用壽命的邊緣應(yīng)用中。接下來我們將介紹下能量收集在實踐中的工作原理，這有助于理解能量收集對ULP MCU的價值。

01、能量收集的工作原理

原則上來說，能量收集是一個簡單的概念。它要解決的問題是主要能源（電池、燃料、電網(wǎng)）數(shù)量有限。而且，盡管有取之不竭的環(huán)境能量可供捕獲，但這些能量無法100%轉(zhuǎn)換為可用能量。這也是風(fēng)力渦輪機成為大型可再生能源的原因。渦輪機從風(fēng)中接收勢能，使葉片圍繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子與發(fā)電機相連產(chǎn)生電能。其他大規(guī)模環(huán)境能源包括太陽能、海浪和地?zé)岬取?/p>

可穿戴設(shè)備和無線傳感器等較小尺寸的技術(shù)產(chǎn)品可以收集動能、熱能或環(huán)境電磁輻射能。這些能量形式的每一種都使用不同的機制將源功率轉(zhuǎn)換為可用能量。每種能源的效用和實用性都是重要的考慮因素，因為具體應(yīng)用可能會限制能量轉(zhuǎn)換所需設(shè)備的尺寸和質(zhì)量。

熱輻射對無線傳感器很有用，因為傳感器的設(shè)計和放置可同時利用兩種形式的能源。在車上，靠近道路的傳感器可以接受來自柏油路的輻射熱。而其他傳感器則可以利用來自高振動位置（例如靠近車輪或發(fā)動機部件）的動能。對于超低功耗MCU，從人類用戶的運動中回收的動能是目前非常實用的可轉(zhuǎn)換能量形式。

02、超低功耗MCU的機遇

由于ULP MCU的主要應(yīng)用是可穿戴技術(shù)，因此以極低的系統(tǒng)功耗處理邊緣數(shù)據(jù)至關(guān)重要。能量收集減少了對可穿戴技術(shù)電池的能量需求，電池的能量有限，需要在電量耗盡后定期充電或更換。電池的廢棄處理也存在挑戰(zhàn)，因為電池所用的材料不易回收。ULP MCU能量收集器通過壓電、電磁或摩擦電發(fā)電機捕獲動（機械）能。

壓電

“壓電”一詞源自希臘語，意為擠壓或按壓。動能壓縮壓電材料，產(chǎn)生電場。工程師根據(jù)預(yù)期的機械負(fù)載和電場密度選擇材料，并平衡其功率貢獻(xiàn)潛力與材料特性，這些特性會在電場存在時使材料變形。這些相互競爭的因素使設(shè)計人員能夠優(yōu)化能量收集器對反復(fù)增加主電池功率所做的貢獻(xiàn)。一些估計表明，動力運動平均可為ULP MCU的主電源增加10mW。

電磁輻射

另一種用于小型MCU的能量收集技術(shù)是電磁輻射。無線電、紅外線、紫外線和微波通過空氣攜帶輻射能。環(huán)境電磁波使磁場中的結(jié)構(gòu)振動，通過特定尺寸的磁鐵和氣隙設(shè)計將機械振動能轉(zhuǎn)換為電能。這種方法能為系統(tǒng)貢獻(xiàn)大約0.3mW的收集功率。

摩擦電納米發(fā)電機

ULP MCU的最終轉(zhuǎn)換介質(zhì)是摩擦電納米發(fā)電機 (TENG)。該技術(shù)將[不同]材料應(yīng)用于承受機械運動（如旋轉(zhuǎn)、振動、擺動和膨脹/收縮）摩擦的表面。電極支撐這些材料，回收由材料摩擦產(chǎn)生的電荷不平衡（靜電）所產(chǎn)生的能量。這種方法提供的補充功率是壓電的十分之一，大約為1-1.5mW。

03、結(jié)語

對于可穿戴技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，超低功耗MCU的日常應(yīng)用大概消耗數(shù)十毫瓦的功率。鋰離子電池是以合適的時長提供電力的絕佳選擇。但電池在寒冷天氣的敏感性和用戶對延長電池壽命的需求推動著當(dāng)前技術(shù)不斷突破極限。通過壓電、電磁輻射和摩擦電源收集機械能，可為電池提供高達(dá)10%的輔助壽命。

隨著電阻和電流負(fù)載技術(shù)的不斷優(yōu)化，這些技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)最終可能會讓ULP MCU器件中不再需要電池。這是一場微型電池開發(fā)與增強動力之間的競賽，無論哪種方式，消費者都是最后的贏家。

作者介紹

Adam Kimmel

擁有近20年執(zhí)業(yè)工程師、研發(fā)經(jīng)理和工程內(nèi)容撰稿人經(jīng)驗。他編寫過白皮書、網(wǎng)站副本、案例研究以及博客文章，內(nèi)容涉及汽車、工業(yè)/制造業(yè)、科技和電子等垂直市場。Adam擁有化學(xué)和機械工程學(xué)位，并且是工程和技術(shù)內(nèi)容寫作公司ASK Consulting Solutions, LLC的創(chuàng)始人兼總負(fù)責(zé)人。