能量采集應用離我們還有多遠？

能量采集的概念已經(jīng)出現數十年，如何將免費能量轉化成電能來(lái)提供給不同類(lèi)型的電子儀器及產(chǎn)品應用，是電子及半導體業(yè)界發(fā)展綠色能源應用的重要課題。近年來(lái)能源危機進(jìn)一步凸顯，綠色環(huán)保概念更加深入人心，能量采集技術(shù)的應用開(kāi)始迎來(lái)發(fā)展的春天。IDTechEx數據顯示，運用能量采集技術(shù)的電子設備將會(huì )急劇成長(cháng)，預計2019年將會(huì )超過(guò)2.5億。

能量采集技術(shù)應用范圍廣泛，目前在我們的周?chē)呀?jīng)有許多運用了能量收集技術(shù)的應用。其中，看好該市場(chǎng)并為采集、轉換、儲能等環(huán)節提供電源管理解決方案和系統支持的供應商包括凌力爾特、TI 、Energy Micro、Silicon Labs等。

凌力爾特公司電源產(chǎn)品產(chǎn)品市場(chǎng)總監Tony Armstrong

凌力爾特公司電源產(chǎn)品產(chǎn)品市場(chǎng)總監Tony Armstrong介紹，具體應用實(shí)例包括：輪胎磨損/壓力監測器、電感耦合智能電網(wǎng)監測器、HVAC和照明控制系統。飛機健康狀況監視和資產(chǎn)跟蹤系統很快也將運用能量采集技術(shù)。

Silicon Labs公司MCU產(chǎn)品線(xiàn)資深應用工程師Farris Bar

Silicon Labs公司MCU產(chǎn)品線(xiàn)資深應用工程師Farris Bar也認為，能量采集將很快可以大量實(shí)施，因為它為諸如車(chē)輛、資產(chǎn)監視等典型應用帶來(lái)便利性和自發(fā)維護性。而對于更換電池困難或麻煩的所有應用來(lái)說(shuō)，例如用于家居自動(dòng)化和安全系統的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)，也是一個(gè)很好的備選方案，能量采集技術(shù)正形成一個(gè)超大市場(chǎng)。

積極開(kāi)拓無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )新市場(chǎng)

在我們的家庭、辦公室、工廠(chǎng)和基礎設施中，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的廣泛部署為系統設計人員創(chuàng )建獨特的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)供電方法，從而可以為新一代產(chǎn)品提供靈活的外形選擇和增強的功能性，開(kāi)拓新的市場(chǎng)。Farris Bar介紹，在最近幾年中，能量收集已經(jīng)成為嵌入式系統設計人員的供電選擇，使無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)可以用于之前不能通過(guò)傳統電池供電實(shí)現的應用。例如系統設計人員基于能量采集供電電源構建的超薄無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)，其傳輸范圍超過(guò)100米，使用壽命超過(guò)20年。

采用收集的能量源為無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)供電的能力允許嵌入式設計人員提供可顯著(zhù)降低終端用戶(hù)成本的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統，它提供了綠色環(huán)境效益，即更少的填埋電池。Farris Bar表示，在未來(lái)，除了當前應用廣泛的太陽(yáng)能電池之外，我們將會(huì )看到能量收集解決方案供應商提供多種不同類(lèi)型的能量收集源為無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)供電。如果無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)放置在光源無(wú)法到達的地方，節點(diǎn)可以通過(guò)熱、震動(dòng)(壓電式)或甚至無(wú)線(xiàn)電波能量收集源提供電源。在使用太陽(yáng)能電池的示例中，能量管理、存儲和無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)電路本質(zhì)上是相同的。不管收集的是何種能量源，系統的設計原理都是相同的：捕獲有限的能量源并存儲到薄膜電池，然后使之為超低功耗無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)供電。

環(huán)境能量源包括光、溫差、機械振動(dòng)、已發(fā)送的射頻(RF)信號或任何其他能夠通過(guò)某種換能器產(chǎn)生電荷的信號源。這些能量源都在我們的身邊，利用合適的換能器，如面向溫差的熱電發(fā)生器(TEG)、面向振動(dòng)的壓電式元件、面向太陽(yáng)光(或室內照明光)的光伏電池等，可將其轉換成電能，甚至可以利用濕氣產(chǎn)生電能。此類(lèi)所謂的“免費”能量源可用來(lái)自主地給電子組件和系統供電。

從現成可用的來(lái)源采集能量后，不需要電線(xiàn)或電池就能無(wú)限期地為應用供電，也可以延長(cháng)電池供電型系統的工作時(shí)間。不過(guò)，要想成功地實(shí)現一款能量采集解決方案，就必需詳細了解環(huán)境能量源的特性和采集器/換能器的輸出功率能力以及系統的功率要求。

Tony Armstrong介紹，一個(gè)典型的能量采集配置或無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)(WSN)由4個(gè)方框組成，如圖所示。它們是：1) 環(huán)境能量源；2) 換能器組件和給下游電子線(xiàn)路供電的電源轉換電路；3) 將該節點(diǎn)連接到現實(shí)世界的檢測組件和計算組件(由微處理器或微控制器組成，負責處理測量數據并將數據儲存到存儲器中)；4) 由短程無(wú)線(xiàn)單元組成的通信組件，用于實(shí)現與相鄰節點(diǎn)及外部世界的無(wú)線(xiàn)通信。

一個(gè)典型的能量采集系統或無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的主要組成方框圖

一旦電能產(chǎn)生出來(lái)，就可以由能量采集電路轉換并調整為合適的形式，以給下游電子線(xiàn)路供電。因此，一個(gè)微處理器可以喚醒一個(gè)傳感器，以獲取讀數或測量值，然后讀數或測量值可由一個(gè)模數轉換器進(jìn)行處理，以通過(guò)一個(gè)超低功率無(wú)線(xiàn)收發(fā)器傳送。

專(zhuān)利、成本和能量平衡是關(guān)鍵挑戰

雖然由采集的能量供電系統已經(jīng)存在多年了，但是開(kāi)發(fā)人員一直面臨在極低功耗預算內實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的困難。Farris Bar表示，能量收集系統開(kāi)發(fā)中的一個(gè)主要挑戰是需要確保所收集的能量大于或等于系統消耗的能量。在能量收集系統中平衡能量生成和使用是使系統能夠實(shí)現永久運行的關(guān)鍵。

Silicon Labs通過(guò)創(chuàng )建基于其Si10xx無(wú)線(xiàn)MCU(業(yè)內最高能效的單芯片MCU)和無(wú)線(xiàn)收發(fā)器解決方案的無(wú)線(xiàn)能量收集系統克服這個(gè)設計挑戰。Silicon Labs Si10xx無(wú)線(xiàn)MCU因為其超低功耗成為能量收集參考設計的理想選擇，可以在有限能量源(即采用薄膜電池進(jìn)行能量存儲的太陽(yáng)能電池)下有效運行。

Farris Bar表示，自從在2011年夏天推出能量收集參考設計以來(lái)，已經(jīng)看到市場(chǎng)對該解決方案的強勁需求。由太陽(yáng)能收集源供電，Silicon Labs的ENERGY-HARVEST-RD參考設計使開(kāi)發(fā)人員可以為家居自動(dòng)化、安全系統、工業(yè)控制、醫療監控、資產(chǎn)跟蹤、基礎設施以及農業(yè)監視系統等實(shí)現自我維持、超低功耗的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。Silicon Labs可提供Turnkey能量收集參考設計，以支持客戶(hù)實(shí)現高能效的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)應用。

富昌電子產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)中心分立器件產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Desmond Cheng

此外，能量采集技術(shù)的推廣和應用也面臨不少來(lái)自現實(shí)中的挑戰。富昌電子產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)中心分立器件產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Desmond Cheng表示，能量采集技術(shù)應用很廣泛，但在具體將其推廣到亞太地區尤其是中國市場(chǎng)時(shí)，還要面臨成本和產(chǎn)品專(zhuān)利保護的問(wèn)題。

富昌電子能源事業(yè)部正式成立于2009年5月，兩三年前逐漸開(kāi)始在中國的業(yè)務(wù)，關(guān)注太陽(yáng)能和風(fēng)能市場(chǎng)，以及智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車(chē)、能量采集等種應用。富昌電子提供相應的各類(lèi)電子元器件，以及參考方案設計，并為客戶(hù)定制供應鏈管理方案。

“成本控制和應用需求這兩方面，需要平衡起來(lái)?！?Desmond Cheng表示，在能量采集設計方案中運用到的電子元器件要求體積越來(lái)越小，功耗卻越來(lái)越大，這樣的元器件價(jià)錢(qián)實(shí)在不便宜，因此也造成目前多數能量采集產(chǎn)品成本較高，受眾不廣的窘境。當然，隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步與規模擴大化，這一情況會(huì )逐漸得到解決。

產(chǎn)品專(zhuān)利保護問(wèn)題同樣需要時(shí)間來(lái)解決。Desmond Cheng指出，一些小的消費類(lèi)應用，例如太陽(yáng)能自發(fā)光背包、太陽(yáng)能LED領(lǐng)帶等，由于所涉及的技術(shù)門(mén)檻較低，很容易被跟風(fēng)模仿。只有一個(gè)完善的專(zhuān)利保護環(huán)境，才更有利于能量采集技術(shù)應用走近大眾身邊。