無源物聯(lián)網(wǎng)走入風(fēng)口，能量收集能取代傳統(tǒng)電池嗎？

文︱JOHN KOON

來源︱Semiconductor Engineering

編譯︱編輯部

現(xiàn)階段，數(shù)以百億計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備仍由電池供電。根據(jù)計(jì)算強(qiáng)度和電池化學(xué)性質(zhì)，這些設(shè)備僅能夠穩(wěn)定運(yùn)行很短一段時(shí)間，個(gè)別設(shè)備偶爾能夠運(yùn)行數(shù)十年。但在某些情況下，這些設(shè)備也可以自己收集能量，或者利用外部收集的能量，使它們幾乎可以無限期地工作。

多年來，為半導(dǎo)體供電的能量收集技術(shù)一直處于設(shè)計(jì)階段，但時(shí)至如今，該技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)有限能量的吸收和采集。太陽能、水力發(fā)電和地?zé)崮鼙淮笠?guī)模使用，而光、熱、風(fēng)、振動(dòng)和無線電波在更小設(shè)備中的使用有限。

圖1：能量來源包括光、電磁、熱能、動(dòng)能等（圖源：機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測中實(shí)現(xiàn)自供電無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量收集技術(shù)：綜述）

在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中，能量收集有望減少或消除對(duì)電池的需求。這對(duì)于難以更換電池的設(shè)備（例如牲畜傳感器、智能樓宇和遠(yuǎn)程監(jiān)控）以及可穿戴電子設(shè)備和物流跟蹤等應(yīng)用特別有吸引力。但到目前為止，這項(xiàng)技術(shù)尚未能普及開來。

一定程度上，這是由于輸入源和能量水平小且通常不可靠。此外，將能量從環(huán)境中轉(zhuǎn)換成電力需求高效率的設(shè)計(jì)方法，這可能使這些方法成本過高。如果操作需要源源不斷的電力，那么能量存儲(chǔ)將會(huì)是另一個(gè)值得考慮的方案。

將使用紐扣電池的智能物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)計(jì)與使用能量收集的傳感器設(shè)計(jì)進(jìn)行比較，可以看出紐扣電池的設(shè)計(jì)要簡單得多。但是，雖然使用紐扣電池的設(shè)計(jì)不需要額外的能量收集電路，但它需要在某個(gè)時(shí)候更換電池。

根據(jù)理論計(jì)算，大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)規(guī)格預(yù)測電池壽命將持續(xù)數(shù)年到20年以上。然而，這些預(yù)估通常不會(huì)考慮電池泄漏和排水。與工業(yè)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)電池相比，消費(fèi)類紐扣電池的質(zhì)量和可靠性要低得多。這就解釋了為什么工業(yè)級(jí)電池的成本要高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)還顯示出能量收集的吸引力，這可以縮減對(duì)電池的需求，或在設(shè)備的使用壽命內(nèi)自動(dòng)為電池充電。

“能量收集技術(shù)正在不斷發(fā)展，”西門子數(shù)字工業(yè)軟件公司產(chǎn)品工程總監(jiān)John Stabenow稱。“隨著對(duì)物聯(lián)網(wǎng)需求不斷增加，為無電池物聯(lián)網(wǎng)解決方案的使用提供了強(qiáng)勁的驅(qū)動(dòng)力。優(yōu)勢是顯而易見的，無需每隔幾年更換數(shù)千塊電池，節(jié)省的成本很可觀。智能化、小型化、超低功耗逐漸成為物聯(lián)網(wǎng)傳感器發(fā)展的主流方向。通過使用系統(tǒng)設(shè)計(jì)建模和仿真，可以為智能傳感器的開發(fā)提供最佳功率預(yù)算和電路設(shè)計(jì)。因此，可以對(duì)能量收集技術(shù)進(jìn)行微調(diào)，以滿足特定的功率要求。”

理想的用例是為具有超低功耗的設(shè)備提供高效能量收集的組合，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的運(yùn)行。為了正確看待問題，以下是各種來源的可用能量和各種設(shè)備的估計(jì)能量需求的一些示例：

提高能量轉(zhuǎn)換效率

太陽能是主流的能源，但使用太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的效率很低，這就是為什么太陽能電池板如此之大。太陽光使用光伏（PV）半導(dǎo)體材料轉(zhuǎn)換為電能。多個(gè)光伏電池連接在一起形成一個(gè)模塊或面板。通過使用最大功率點(diǎn)（MPPT）技術(shù)，在轉(zhuǎn)換光伏模塊功率時(shí)可實(shí)現(xiàn)最高效率。

在電池充電情況下，MPPT 算法會(huì)比較PV輸出和電池電壓，然后設(shè)置最佳充電電壓。MPPT算法在寒冷天氣或電池快要放完電時(shí)執(zhí)行最有效。

“對(duì)于能量收集而言，太陽能是可再生能源之一，”英飛凌科技首席應(yīng)用工程師Kasra Khazraei表示。“太陽能系統(tǒng)由兩個(gè)主要組件組成，太陽能電池板和電力電子電路。大多數(shù)太陽能電池板的效率都在20%以下，平均在17%至18%左右。針對(duì)有效提升效率問題，太陽能電池物理學(xué)的突破是必要的。這就是為什么很多努力都集中在提高電力電子電路的效率上，以提高太陽能系統(tǒng)的整體能量輸出。”

例如，ADI公司開發(fā)了一種微型封裝（1.63mm x 1.23mm），用于從單個(gè)太陽能電池收集能量。使用這種方法，該公司聲稱已經(jīng)達(dá)到了85%至90%的效率水平，使太陽能電池板收集的幾乎所有能量都能得到充分利用。

“針對(duì)超低功耗應(yīng)用，例如車載探測器、牲畜跟蹤、智能農(nóng)場、智慧城市和可穿戴消費(fèi)設(shè)備等，其能量收集器的高效設(shè)計(jì)對(duì)低功耗有著極高的要求（在μW范圍內(nèi)），且在使用PV電池時(shí)冷啟動(dòng)電壓低于500mV，使用熱電發(fā)生器（TEG）時(shí)低于100mV。整體來說，MPPT嵌入式算法是有幫助的，因?yàn)樗梢宰畲笙薅鹊貜膬蓚€(gè)來源中提取能量，”意法半導(dǎo)體技術(shù)營銷組經(jīng)理Alessandro Nicosia認(rèn)為。“此外，需要一個(gè)強(qiáng)大的PCB設(shè)計(jì)來保護(hù)系統(tǒng)免受噪聲和環(huán)境干擾，這些干擾可能導(dǎo)致電池過充電和過放電閾值的錯(cuò)誤觸發(fā)，以及未經(jīng)保護(hù)的內(nèi)部電路待機(jī)相位和電池/負(fù)載供電連續(xù)性。”

RF能量收集設(shè)計(jì)人員也在尋求高效轉(zhuǎn)換能量的方法。這種方法廣泛適用于無電池消費(fèi)類產(chǎn)品和電子設(shè)備無線充電等應(yīng)用。一個(gè)潛在的射頻能量突破性用例是Powercast提供的零售電子貨架標(biāo)簽（ESL）應(yīng)用程序。

傳統(tǒng)上，工人在雜貨店或百貨商店改變價(jià)格標(biāo)簽。但價(jià)格經(jīng)常變化，特別是商品促銷時(shí)，這可能使價(jià)格標(biāo)簽頻繁改動(dòng)。已經(jīng)有許多嘗試來降低勞動(dòng)強(qiáng)度，包括使用無線價(jià)格標(biāo)簽。無線價(jià)格標(biāo)簽方法的一個(gè)缺點(diǎn)是，每個(gè)標(biāo)簽都需要有一個(gè)由電池供電的無線接收器，并且這些電池需要每隔幾年更換一次。Powercast的想法是使用無線RFID價(jià)格標(biāo)簽。最近，一家大型百貨連鎖店開始部署機(jī)器人來跟蹤商店內(nèi)的庫存。這些機(jī)器人可以被編程為使用RF信號(hào)掃描無電池RFID價(jià)格標(biāo)簽，以便更新價(jià)格。RFID標(biāo)簽上顯示的新價(jià)格將保持不變，直到下次掃描。RFID價(jià)格標(biāo)簽中使用的Powercast RF-to-DC轉(zhuǎn)換器芯片尺寸為1 x 0.6 x 0.3mm，支持10MHz至6GHz的頻率，轉(zhuǎn)換效率為75%。

圖2：射頻能量收集功能包括射頻到直流轉(zhuǎn)換和電壓監(jiān)控（圖源：Powercast）

“射頻能量源的強(qiáng)度各不相同。因此，用于將RF能量轉(zhuǎn)換為直流的芯片要求高效，優(yōu)選在70%至80%的范圍內(nèi)。天線設(shè)計(jì)對(duì)于最大化能量收集也很重要，”Powercast首席技術(shù)官Charles Greene評(píng)論道，“此外，根據(jù)應(yīng)用的不同，設(shè)備與能源（如Wi-Fi路由器）的距離也很重要，因?yàn)槟芰抗β逝c其距離成反比。例如，無線游戲控制器的功率更強(qiáng)，需要保持在距離電源一英尺的范圍內(nèi)。鍵盤的耗電量較小，并且可以保持在距離其源頭六英尺的范圍內(nèi)。物聯(lián)網(wǎng)傳感器將在10英尺內(nèi)正常運(yùn)行。”

降低系統(tǒng)功耗

雖然能量收集很重要，但它不會(huì)降低低功耗設(shè)計(jì)的價(jià)值，尤其是在邊緣應(yīng)用中。“這始終是關(guān)于以最低功耗實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力最大化，”瑞薩電子美國公司執(zhí)行副總裁Saileesh Chittipeddi表示。“新系統(tǒng)中的功率效率和功耗概念對(duì)人們來說變得越來越重要。這推動(dòng)了策略轉(zhuǎn)變，特別是在工業(yè)領(lǐng)域。”

能量收集補(bǔ)充了這種轉(zhuǎn)變，簡單的解決方案通常比復(fù)雜的解決方案更具優(yōu)勢。例如，16位MCU的功耗低于32位MCU。同樣，4位MCU比8位MCU功耗更低。合理調(diào)整設(shè)計(jì)大小意味著首先要產(chǎn)生的能量更少。

最近，越來越多的芯片制造商在開發(fā)nW范圍內(nèi)工作的超低功耗MCU。一些超低功耗MCU可以在1.8V下工作，在運(yùn)行模式下每兆赫茲僅消耗150μA電流，而休眠模式僅消耗10nA電流。如果需要保留存儲(chǔ)器內(nèi)容，則休眠模式電流將在2μS喚醒時(shí)間內(nèi)增加到50nA。這種趨勢對(duì)能量收集的發(fā)展非常鼓舞人心。

“直到最近，能量收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常會(huì)簡單地表征其系統(tǒng)的功率和能量需求，然后選擇足夠大的能量收集器和存儲(chǔ)器來可靠地提供此功能，”Arm工程師James Myers指出，“這很有效，但這意味著這些系統(tǒng)通?？赡芎艽蠖液馨嘿F。如今的方案逐漸將問題的焦點(diǎn)轉(zhuǎn)向應(yīng)用規(guī)模或成本約束，這流入了功率和能源預(yù)算，系統(tǒng)需要為此進(jìn)行設(shè)計(jì)。幸運(yùn)的是，我們現(xiàn)在有大量的低功耗組件可供使用，如果都不合適，還可以構(gòu)建一個(gè)自定義SoC，該SoC可以按照需求進(jìn)行集成。超低功耗處理器對(duì)這個(gè)領(lǐng)域特別有用，因?yàn)樗鼈冊试S與無線電、執(zhí)行器和非易失性內(nèi)存使用等能源密集型活動(dòng)進(jìn)行智能權(quán)衡。它們甚至可以適應(yīng)無存儲(chǔ)收集系統(tǒng)中的間歇性電源可用性。”

開放的無線電標(biāo)準(zhǔn)

國際電工委員會(huì)（IEC）發(fā)布了一系列標(biāo)準(zhǔn)，以解決與振動(dòng)、熱和電磁能源相關(guān)用于能量收集和生成的半導(dǎo)體器件。該標(biāo)準(zhǔn)還涉及測試和評(píng)估方法，柔性熱電器件的測試方法以及線性滑動(dòng)模式摩擦電能量收集。

另外，EnOcean聯(lián)盟是一個(gè)擁有500名成員的非營利組織，支持ISO/IEC 14543-3-10（稱為ASK并在歐洲使用）或14543-3-11（稱為FSK，在北美和日本使用）。它是一種開放協(xié)調(diào)的無線電標(biāo)準(zhǔn)，用于描述無線電參數(shù)（OSI中的物理層1）。此標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)自供電無線設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化。

EnOcean聯(lián)盟獨(dú)立于EnOcean公司存在。該聯(lián)盟的七個(gè)發(fā)起人包括BSC Computer GmbH、Eltako、EnOcean GmbH、NIFCO Inc.、IBM、Microsoft和T-Systems Multimedia Solutions。這個(gè)全球網(wǎng)絡(luò)的成員創(chuàng)建了一個(gè)可互操作的免維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，其中包含用于智能家居，智能建筑和智能空間應(yīng)用的認(rèn)證計(jì)劃。

能量收集技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新

能量收集發(fā)展勢頭正持續(xù)提升。包括ADI、Atmosic、EnOcean、Metis Microsystems、ONiO、Powercast、瑞薩電子、意法半導(dǎo)體和德州儀器在內(nèi)的公司提供越來越多的硅產(chǎn)品。通過AI技術(shù)，產(chǎn)品將更小巧、更輕便、更智能，甚至功耗更低。能量收集技術(shù)正在不斷創(chuàng)新中成熟落地，未來的可能性只會(huì)受到想象力的限制。

“近年來，我們看到很多為提高電力電子系統(tǒng)效率對(duì)寬帶隙開關(guān)開發(fā)的投資，”英飛凌的Khazraei表示。“正如我們將在未來5到10年內(nèi)看到的那樣，采用由氮化鎵和碳化硅制成的高度先進(jìn)的寬帶隙開關(guān)將徹底改變可再生能源系統(tǒng)。這些開關(guān)可實(shí)現(xiàn)非常高的頻率功率密度和高效設(shè)計(jì)。電路尺寸顯著減小將降低安裝和維護(hù)太陽能系統(tǒng)的成本。”

最近，華盛頓大學(xué)在一段視頻中展示了一個(gè)輕巧、低功耗、蒲公英狀傳感器漂浮在空氣中，對(duì)溫度和濕度進(jìn)行采樣。根據(jù)該校助理教授Vikram Lyer的說法，這種微型設(shè)備的能耗從幾微瓦到超過10微瓦不等，具體取決于采樣率。它從太陽收集能量，速度為每秒0.87米，對(duì)于30mg的設(shè)備（傳感器重1mg），可以在微風(fēng)中傳播50至100米，安全直立著陸的概率約為95%。該設(shè)備可能用于監(jiān)測干燥天氣地區(qū)的森林火災(zāi)。該校正在推進(jìn)更進(jìn)一步的研究，以擴(kuò)大傳感器的控制和應(yīng)用。

歐洲研究委員會(huì)（ERC）向德國開姆尼茨理工大學(xué)提供了150萬歐元的研究經(jīng)費(fèi)，用于開發(fā)世界上最小的電池：智能塵埃電池。基于過去的電池研究，該團(tuán)隊(duì)設(shè)定了一個(gè)目標(biāo)，即開發(fā)一種能夠?yàn)槊科椒嚼迕滋峁?00微瓦能量的電池，用于超小型計(jì)算機(jī)和電子應(yīng)用。當(dāng)這成為現(xiàn)實(shí)時(shí)，它可以嵌入到未來的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，這些設(shè)備依賴于能量收集進(jìn)行充電。

“能量收集技術(shù)將繼續(xù)發(fā)展，”EnOcean總裁兼聯(lián)合創(chuàng)始人Oliver Sczesny表示，“傳統(tǒng)公司以及初創(chuàng)公司將帶來新的想法和創(chuàng)新。例如，太陽能和熱能收集對(duì)輕薄、靈活且可打印的能量收集器箔進(jìn)行了大量研究。特別是針對(duì)太陽能收集，該器件原型已經(jīng)上市并開始大規(guī)模生產(chǎn)。這些類型的收集器從為小型傳感器供電到更大規(guī)模的能量收集，提供了更為廣泛的可能性。”

正在開發(fā)的其他技術(shù)概念，例如無線無電池身體傳感器網(wǎng)絡(luò)，使用近場服裝來監(jiān)測穿著者的生理狀況，以及用于測量患者傷害脆弱點(diǎn)的無線軟傳感器。業(yè)界逐漸開始嘗試新的方法，例如從電路的瞬態(tài)能量中收集，預(yù)計(jì)研究機(jī)構(gòu)、創(chuàng)新高科技公司和初創(chuàng)公司將繼續(xù)提出能量收集的新想法。

“計(jì)算系統(tǒng)用1和0表示信息，其中二進(jìn)制數(shù)據(jù)的信息通常以電荷的形式存在于CMOS芯片中，”Metis Microsystems的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Azeez Bhavnagarwala表示。“‘1’在電路節(jié)點(diǎn)上表示方法是，將電荷從芯片的電網(wǎng)移動(dòng)到節(jié)點(diǎn)，將其電勢提高到芯片的電源電壓。電路節(jié)點(diǎn)上的‘0’通過排出其上持有的電荷來表示，將其電勢降低到芯片的參考地電位。在這兩種情況下，這些保存數(shù)據(jù)的電路節(jié)點(diǎn)都可以作為靜電能量的來源或接收器，相當(dāng)于電路節(jié)點(diǎn)上的‘硅電池’。這種硅電池可以作為芯片內(nèi)的能量資源，提供存儲(chǔ)器和算術(shù)組件所需的一些功率。”

這是一個(gè)重要的轉(zhuǎn)變。“用于基于CMO的靜態(tài)存儲(chǔ)器的電路IP（6T SRAM、8T寄存器文件、CAM和數(shù)字CIM陣列），已被開發(fā)用于收集瞬態(tài)片上數(shù)據(jù)，從而將CMOS組件的能量延遲提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。”Bhavnagarwala認(rèn)為。“這種改進(jìn)可以在不改變工作電壓或CMOS工藝的情況下進(jìn)行。收集片上瞬態(tài)數(shù)據(jù)也會(huì)對(duì)其他設(shè)計(jì)指標(biāo)產(chǎn)生有利影響，例如在存在顯著MOS器件變化的情況下信號(hào)開發(fā)的不確定性。與從環(huán)境源收集能量的傳統(tǒng)技術(shù)不同，數(shù)據(jù)收集方法和電路不必僅限于低功率密度應(yīng)用，如跟蹤器或傳感器網(wǎng)絡(luò)。從邊緣的能源匱乏設(shè)備到數(shù)據(jù)中心的加速器和網(wǎng)絡(luò)硬件，這些器件可以為廣泛的處理器提供動(dòng)力。