能量收集何时能真正起飞？
2015-04-12 20:12:19   来源：电子工程专辑   评论：0   点击：

能量无处不在，能量收集和储存其实也并不是什么全新的概念，但一直以来却似乎总是处于“叫好不叫座”的尴尬境地，并没有得到多少真正的广泛应用。近年来，随着物联网的飞速发展，越来越多的公司开始有兴趣和动力去开发更有效率的能量收集芯片、系统和可充电电池，以便能够在整个产品生命周期中持续使用。对这些公司来说，能量收集过程中最大的挑战是什么？如何将超低功耗芯片安装在小型物联网设备中？对系统设计有哪些新的要求？本文将为您一一解答。

为何总是“雷声大，雨点小”

ADI公司工业与能源事业部亚太区市场经理张松刚在接受《电子工程专辑》记者采访时表示，“如何管理与应用这些微能量”恐怕是当前能量收集产业最大的“软肋”。众所周知，通过能量收集技术收集到的能量非常微小，很难直接应用，必须积少成多地把它们收集并管理起来，才能在关键时刻发挥作用。因此，这就涉及到如何实现能量连续存储和最大程度减少漏电流的问题。

换句话说，只有漏电流远远小于被收集的能量，人们才有可能对这些收集来的能量进行集中管理，用来驱动一些短暂或脉冲型的负载；对于那些连续工作的负载，情况可能还要更加复杂一些，会牵扯到低功耗和超低功耗器件，只有这些超低功耗器件的工作损耗与收集的能量以及这些能量的管理达到平衡，微能量收集才能真正被广泛应用。

德州仪器(TI)电池管理产品市场及应用经理Niranjan Pathare则将该市场难以起飞的原因归结为两点：一是难以获得高效的能量收集器元件，如太阳能电池、热电发电机等，从而无法在小尺寸的基础上输出更高的能量；另一个挑战是系统本身的能耗。可喜的是，随着超低功耗芯片技术的进步，系统设计师现在已经能够设计出功耗更低的系统，从而使能量收集系统更加实用。

“能源监管要求的提高、不断上升的运行成本、日益壮大的环保运动、以及延长移动设备电池寿命的需要，都导致人们开始关注为多种应用优化电源的问题。而其中，能促使能量收集(EH)应用大面积推广的最好方式，我认为来自无线传感器网络(WSN)。”做出此番表态的是凌力尔特(Linear)公司电源产品市场总监Tony Armstrong。在他看来，WSN是一种颠覆性技术，可使安装成本降低多达80%，并支持传统有线网络不可能支持的多种应用，从而大幅提高建筑物的环保性和智能性。

他判断称，“任何面向环保能源或能量收集的产品在2015年及以后都有增长机会。”因为，“以前的WSN产品大多应用于工业机械、农业、结构健康监视等分散市场，多年来整个行业一直在努力用IP平台统一传感器网络，以简化开发、吸引新公司进入并鼓励创新。同时，这个行业也在尝试消除一些迄今为止一直制约WSN成为主流的成本和可靠性问题。”

而相关数据则显示，目前，在建筑物中供暖、通风及空调(HVAC)系统中安装的WSN占WSN 安装总量的2/3，其次是照明和门禁控制。据预测，未来5年内，全球将安装1500万个无线传感器节点，这些节点或需要电池供电，或由环境能源供电，也有可能采用二者结合的供电方式。

欲善其事，必先利其器

想要将收集到的能量真正排上用场，既需要解决芯片自身低功耗的问题，还要考虑如何大幅提高转换效率。张松刚认为前者相对比较容易实现，后者由于涉及大量物理定律和相关材料问题，解决起来并不轻松；而Tony Armstrong的观点则认为，常规能量收集方法一直采用太阳能电池板和风力发电机，不过，新的能量收集工具开始允许我们使用多种环境能源产生电能。此外，电路的能量转换效率并不重要，重要的是可用来给电路供电的“平均收集”能量。例如，热电发生器将热量转换成电能、压电组件转换机械振动、光伏器件转换太阳光(或任何光子源)等。这样一来，就有可能给远程传感器供电，或者给电容器或薄膜电池等储能器件充电，以便给远程微处理器或发送器供电，而无需本地电源。

总之，要进入替代能源市场，Tony Armstrong强调IC 必须具备以下性能特点：
（1）备用静态电流很小–典型情况下低于6μA，最低达450nA
（2）启动电压很低–低至20mV
（3）能够接受很高的输入电压–高达34V连续电压和40V瞬态电压
（4）能够处理AC输入
（5）能够提供多路输出和自主系统电源管理
（6）自动极性运行
（7）面向太阳能输入的最大功率点控制(MPPC)
（8）能够从低至1OC的温度变化中收集能量
（9）解决方案占板面积紧凑和最大限度减少所需外部组件

ADI目前推出了一款基于太阳能的能量收集芯片ADP5090，具有极低的功耗(小于300nA)，可在极低电压(380mV)下实现启动，从而实现对收集到的微能量进行管理，并给电池(锂电池、薄膜电池、超级电容)和电容充电，使之达到负载所需的工作电压，可广泛应用于可见光照射下的任何便携式设备、无供电电源的传感器、无线发射模块、可穿戴设备等多种应用中。此外，它还可以支持突发性的射频输出或MCU，并支持第二个后备电池；对于如何提高太阳能的转换效率，该芯片特别设计了MPPT控制功能来保证太阳能电池板能一直工作在最大功率点上，只需要手表盘大小的太阳能电池板即可工作。

凌力尔特最具代表性的能量收集产品则是能量收集和电池寿命延长器LTC3331。在可收集能源可用时，它可提供高达50mA的连续输出电流以延长电池寿命。当该器件用收集的能量向负载提供稳定功率时，不从电池获取电源电流，而在无负载情况下用电池供电时，仅消耗950nA电流。LTC3331集成了一个高压能量收集电源，还有一个用可再充电电池供电的同步降压-升压型DC/DC转换器，可为能量收集应用提供单路不间断输出。

Niranjan Pathare同样认为最大的挑战来自如何让芯片日常保持较低的功耗。当能量收集无法实行时，芯片的待机电流消耗决定电池的运行时间。在这种情况下，超低的待机电流消耗可以延长电池的运行时间。例如，TI bq25505能量收集器芯片的电流消耗仅为5nA，其他工业芯片的待机电流消耗比上述数量要高出300倍。芯片在能量收集运行期间的工作电流也十分关键，超低的工作电流意味着大部分能量都转移到电池中。TI bq25570芯片的工作电流消耗只有488nA，相比之下，竞争对手的工作电流往往大于5mA，这比bq25570消耗的10倍还要多。

环境能源包括光、热量差、振动波束、发送的RF信号或其他任何能够通过换能器产生电荷的能源(表1说明了不同能源可产生能量的多少)。由于要处理的能量仅为微瓦(μW)/皮瓦(pW)级，且涉及众多相关硬件及软件。那么，在进行能量收集系统设计时，工程师需要重点考虑的因素有哪些？

表1：不同能源及其能够产生能量的多少

Niranjan Pathare认为能量收集系统的成功有赖于三个关键因素：首先，也是最重要的，是系统占空比(cycle of system)，这取决于系统活跃时间和休眠时间之比。休眠期间的电流消耗量决定了系统的总能耗量，因此尽量降低休眠电流消耗量可以延长系统的运行时间；其次，该系统应该具有卓越的性能如最大功率点跟踪(MPPT)，以帮助用户最优化从收集器中提取出的能量；最后，该系统应能够智能管理从收集器转换到电池中的电流。具备电池管理、电池欠电压和过电压保护等特点将使能量收集系统更加稳健安全。

Tony Armstrong则以WSN为例，形象讲述了能量收集系统设计时需要重点考虑的要素。在实现一个或多个WSN时，一个需要很好考虑的问题是：运行这个WSN需要多少功率?从概念上看，这个问题似乎相当简单易懂。然而实际上，由于一些原因，这个问题有点儿难以回答。例如，需要间隔多长时间获取一次读数?或者更重要的是，数据包多大?需要传送多远?这是因为，就获取一次传感器读数而言，在系统所用能量中，收发器消耗大约占50%。

表2：影响WSN能量收集系统功耗的一些因素

能量收集电源主要的比较标准是功率密度而不是能量密度。能量收集系统通常会提供很低、可变和不可预测的可用功率，因此常常使用一种包括收集器和辅助电力储存器的混合架构。由于能源供应无限而功率不足，收集器成为了系统的能源。辅助电力储存器(电池或者电容器)产生较大的输出功率，但是存储的能量较少，在需要时供电，不能定期接收来自收集器的电荷。因此，在没有环境能源可供收集电力的情况下，辅助电力储存器必须用来给WSN供电。当然，从系统设计师的角度来看，这进一步增加了复杂性，因为他们现在需要考虑必须在辅助电力储存器中存储多少能量以补偿环境能源的不足。

只是，他们究竟需要储存多少能量将取决于如下一些因素：
（1）没有环境能源的时长
（2）WSN占空比(即必须进行数据读取和发送的频度)
（3）辅助电力储存器的大小和类型(电容器、超级电容器或电池)
（4）可用环境能源是否足够? 能够既充当主能源，又能余出充足的能源给辅助电力储存器充电，以及当环境能源在某些规定时段不可用时可给系统供电

最新和现成有售的能量收集产品(例如振动能量收集产品和室内光伏产品)在典型工作条件下产生毫瓦级功率。尽管这种量级的功率看似有限，但是收集组件在若干年中一直工作可能意味着，这些产品与长寿命的主电池大致类似，无论从能量供给还是从每能量单位成本来看，都是这样。此外，采用能量收集技术的系统一般能够在电量耗尽之后再充电，这是主电池供电系统做不到的。

“在微瓦级的工作条件下，从硬件的角度出发，器件的选型非常重要。”张松刚建议设计工程师应该尽可能挑选低功耗器件，以减少被动器件保证更小的漏电流，包括低漏电流的电池或其它储能器件；对于软件的设计，则要更多考虑间歇式的工作以减小功耗，并能保证有足够的时间去存储收集到的能量。同时，不局限于单一能量收集技术，而要在允许的条件下尽可能采用多种能量收集技术，以保证任何条件下都能正常工作，也是未来的重要趋势。

在中国，哪些领域会出现切实可行的方案？

在当前众多能量收集方案中，张松刚相对更看好太阳能和射频能量收集技术，前者比较成熟，接受度高；后者能量发射可定向、可控，这非常有利于收集系统的设计和灵活定义相关应用，越来越多的应用场合会用到它们，是能量收集技术未来最大的热点；而振动能和热能收集的应用场合将会比较复杂，对于系统的设计要求也比较苛刻，包括抗震和热交换的设计牵扯很多相关技术，发展会较慢一些。

“能量收集在中国市场将会大量应用在物联网、智能传感器、无线模块、智能可穿戴设备等领域中，这些新兴市场将极大推动能量收集技术的发展。有利因素是中国的物联网及可穿戴市场的迅猛发展及政府搭大力支持，巨大的终端市场及客户资源；不利因素更多的是成本的压力、技术的成熟度及如何快速实现本地化，但这些不利因素也正是发展的动力。”他说。

Niranjan Pathare比较看好室内光收集技术，未来包括家庭和工厂自动化、安保系统、智能楼宇以及医疗健康应用等都将是重点应用场景。具体到中国市场，考虑到目前中国在清洁能源方面的巨额投入，他将票投给了工业测量、智能楼宇和工厂自动化这三大领域。Tony Armstrong则表示，目前中国市场对能量收集解决方案的需求似乎很小。一个例外是太阳能供电应用，这个领域活动频繁，但大多数都属于大功率应用，在mW或μW范围内的应用凤毛麟角。