如何不用电池为物联网供电_技术

作者：贸泽电子 Mark Patrick

随着4G/5G通信技术的进步，以及智能设备能源效率的提高，这将意味着物联网（IoT）会很快普及。这里有一组参考数据，IDC预测，到2022年，全球每年在物联网技术的支出将达到1.2万亿美元（从现在到2022年的复合年增长率为13.6％）。此外，MarketsandMarkets Research预测，到2023年，将有172亿个IoT节点和网关投入运营。但是，要使IoT真正普及，所有节点需要能够在其可能位置（尤其是难以到达的位置）连续运行。在难以到达地点布置物联网节点，可能使进行定期维护变得不切实际（或至少非常昂贵），更不用说进行紧急维修了。此外，还必须为数千个节点更换电池，并需要配备员工来进行此类电池更换等活动，这些都是扩展物联网应用的主要障碍。

立足现有，尽其所能

如今，作为一种可为超低功耗IoT应用提供电源的方式，能量收集技术一直在被广泛研究，它主要是利用节点自身内部和周围环境具备的潜在能源来产生电力。一种最容易得到的能量收集来源是太阳能，利用光伏（PV）电池可将入射光的能量转换为电能。其他潜在的能源包括射频（RF）辐射、压电和热电等等。但是，由于这后几张能源完全取决于周围环境，所提供的电量非常低，并且往往不规律。

在光伏技术的开发方面，已经取得了很大成就，其中包括如何使其更加高效和更具有成本效益。例如，已经开发出可以印刷在柔性材料上的光伏电池，能够完美匹配相关物联网设备表面。尽管如此，该行业仍然面临着一些非常明显的困难，即节点在一天里只能有一半时间可以从阳光获取能量。

通过收集周围的RF能量，可以对基于电池的低功耗设备进行无线充电，而RF辐射来源则包括周围数十亿个无线电发射器、手机、电视/无线电广播电台等，也包括通过整流天线进行功率传输的专用RF。同时，热电能量收集器有望从电机、汽车发动机、灯泡甚至人体中获取能量。另外，还可通过使用压电方法从重型机械设备的振动、门的关闭或办公楼的空调通风口等处获取能量。

要确定合适的能源收集技术，取决于物联网节点所处的环境，这使得难以设计一种通用的能量收集技术。在某些情况下，一种有效的解决方案或许是两种能量收集技术的组合，例如太阳能与RF，或者热量与RF。另一个需要考虑的问题是，在需要收集或释放一些电能时，将小型、薄膜或印刷柔性充电电池与超级电容器结合使用是否最合适，或者完全放弃电池而仅使用超级电容器。

电池和超级电容器

Renata的 CP042350 3V薄膜原电池（primary cell）具有极低的外形和高度可弯曲的特性（可进行1000次以上直径为50mm的弯曲循环）。它的自放电率很低，每年仅为1％。该电池的平均重量仅为0.86g，不含汞，保存寿命可长达10年（在23°C下保存）。它是基于Li/MnO2化学组分，在-40°C～60°C的工作温度范围内具有25mAh的标称容量和小于30Ω的内部电阻。

村田制作所（Murata）的DMH系列超薄超级电容器采用20mm x 20mm x 0.4mm封装，在-40°C～85°C的工作温度范围内，所有组件均具有35mF的电容和4.5V额定电压和300mΩ静态电阻（ESR）。这些组件具备光滑的外形，能够安装在纽扣电池下面或节点内任何其他可用空间。

智能电源管理

无论采用哪种能量源或储能方法，都必须使收集的功率最大化，而耗散的功率则必须保持尽可能低，这可以通过采用新推出的新型电源管理IC（PMIC）来实现。

ADI公司的LTC3588-2集成了一个低损耗全波（full-wave）桥式整流器和一个高效降压转换器。这种结合为工程师提供了一个完整且优化的能量收集解决方案，可从各种不同能量源（包括压电、机电和太阳能电池以及磁传感器）获取能量。LTC3588-2在处于欠压锁定（UVLO）模式时，只消耗830nA的超低输入静态电流，具有16V的电压上升阈值，可实现高效的能量收集。UVLO阈值还可通过高效同步降压调节器实现输入到输出电流的倍增。降压转换器具有休眠状态，可在调压时将输入和输出静态电流降至最低。它可以通过选择引脚设定四个输出电压，分别为3.45V、4.1V、4.5V和5.0V，同时具有高达100mA的连续输出电流，使该器件非常适用于超级电容器以及锂离子和LiFePO4电池。输入保护分流功能可提供过压保护（20V时下拉电流可高达25mA）。

图1：LTC3588-2 典型应用。

赛普拉斯（Cypress）的S6AE101A能量收集PMIC专门用于微型太阳能电池供电的无线传感器等应用，其中使用的光伏电池可小至1cm2。S6AE101A覆盖2V～5.5V的输入电压范围，输出电压可配置在1.1V～5.2V之间。这些PMIC均使用内置的开关控件将随附太阳能电池产生的功率存储到输出电容器，太阳能电池输入引脚同时内建有过压保护。该PMIC采用3mm x 3mm SON-10封装，具有1.2µW的启动功率和最小至250nA的电流消耗，这样能够增加目标应用中用于感测、处理和通信功能的功率，可应用于诸如楼宇/工厂自动化和智能农业领域的BLE信标和无电池的无线传感器等应用。

图2：赛普拉斯S6AE101A。

Maxim Integrated的MAX17710能量收集充电器和保护器IC集成了从周围环境收集能量的所有电源管理功能，可提供1µW～100mW的功率输出。MAX17710内置有一个锂电池充电器，可提供1nA的待机IQBATT，625nA的线性充电电流和1µW的快速充电功率。这些IC采用3mm x 3mm x 0.5mm UTDFN封装，支持1.8V、2.3V或3.3V的低压降（LDO）电压。升压稳压器电路可使其从低至0.75V（典型值）的电源进行充电。