如何以及何时使用能量采集技术为大规模物联网供电

作者：Jeff Shepard

随着 5G 技术的推广，使得工业 4.0 无线传感器网络、智慧物流、智慧城市、智能农业和其他大规模物联网应用实现了爆炸式增长。在这一过程中设计者获得了独特的机会，让他们能够重新考虑网络架构的方方面面，包括新范式电源。

为数十亿无线节点提供可扩展、可靠的电源是极具挑战性的。如果不解决这一问题，将阻碍大规模物联网的推广普及。仅使用更多的电池是不够的。在越来越多的情况下，电池将得不到补充或者被淘汰。取而代之的是，需要采用各种形式的能量采集 (EH) 技术为大规模物联网提供电力。EH 技术在不断进步，使其在大规模物联网设备供电方面成为越来越有吸引力的选择。这对设计者来说无疑是幸运的。

本博客简述了为数十亿个大规模物联网无线节点供电时所面临的挑战，以及在确定 EH 技术是否能提供一种可行的解决方案时需要考虑的一些因素。然后，介绍 EM Microelectronic 和 Nowi 的能量采集电源管理 IC 以及加快对大规模物联网中 EH 技术评估所需的开发环境。

在确定如何为大规模物联网节点供电时要考虑以下五个因素：

· 数据速率
· 传输范围
· 延迟
· 工作环境
· 环境影响和管理/后勤

数据速率、传输范围和延迟会影响节点的峰值和平均功率需求，且取决于所采用的无线通信协议。例如，当使用低功耗蓝牙技术时，一个 10 cm 见方的光伏板可以支持数据包定期传输，大致数据如下：

· 在零售店的室内照明水平下：1 次 / 100 ms
· 在典型办公环境的照明水平下：1 次 / 200 ms
· 在仓库和工厂的照明水平下：1 次 / 2 s

工作环境也会影响电池的适用性和成本。在如零售店或办公室等相对良好的环境中，价格较低的电池可以达到合理的工作寿命，使 EH 技术的成本相对较高。如果无线节点部署在恶劣的工业或户外环境中，就需要更昂贵的化学电池，使得 EH 技术相对更有吸引力。

环境影响和管理问题也是考虑因素。原电池的寿命有限，这会增加电池更换次数，从而增加维护和管理/后勤成本，最终由于处理废旧电池而影响环境。为了解决如此众多的问题，设计者可以从以下几个支持 EH 技术的电源架构中选择：

· 主电池供电，辅以 EH 技术延长电池寿命。保持电池供电优势，同时减少不利影响
· 充电电池与 EH 技术相结合，实现更长的使用寿命，无需再更换电池
· 电容器或超级电容器与 EH 技术相结合，实现无电池系统和最长使用寿命

EH 技术控制器和电源管理 IC

对于那些可以从组合式电源管理 IC (PMIC) 和 EH 控制器获益的应用，设计者可以转而采用 EM Microelectronic 的 EM8500 。该 PMIC 为 EH 源提供最大功率点跟踪 (MPPT)，为不同的系统功能提供四个独立的输出电压（图 1）。该产品可与各种 EH 技术对接，包括热电发电机 (TEG)、微瓦 (μW) 至毫瓦 (mW) 范围的光伏电池。EM8500 可与一次或二次电池、传统电容器或超级电容器组合使用。EM8500-A001-LF24B+ 型器件采用 4 x 4 mm 24 针 QFN 封装。

图 1：EM8500 PMIC 包括 EH 源的 MPPT，并为系统提供四个输出电压。（图片源：EM Microelectronic）

EM8500 开发套件

设计者可使用 EMDVK8500 开发套件来配置和评估 EM8500（图 2）。该开发套件包括配置 EM8500 所需的软件、测量由此构的建解决方案性能的工具。

图 2：EMDVK8500 可以配置 EM8500 PMIC 并测量由此构建的解决方案的性能。（图片源：EM Microelectronic）

EH 控制器 IC 和评估板

对于不需要完整的电源管理解决方案的设计，Nowi 的 NH2D0245 是一款具有 MPPT 算法的紧凑型高性能 EH 控制器，用于低功耗应用，采用 16 引线、3×3 mm QFN 封装（图 3）。NH2D0245 可用于各种 EH 源，包括光伏、电感和压电，以及可充电电池或超级电容器等储能器件。MPPT 算法的运行独立于具体的能量采集器，能够以 1 秒的时间间隔检测最大功率点，从而在动态环境中最大限度地提高效率。

图 3：NH2D0245 EH 控制器具有 MPPT 算法功能，采用 3 mm 方形 QFN 封装。（图片来源：Nowi）

NH2D0245 评估板是为了加快测试 NH2D0245 的性能和功能而设计的（图 4）。要使用这款评估板，需要一个能量采集器、一个电池或超级电容器以及万用表。如果使用如压电采集器等具有交流 (AC) 输出的能量采集器，必须在能量采集器和评估板的直流 (DC) 输入之间添加整流器。

图 4：NH2D0245 评估板可以加快对 EH 控制器的功能和性能的测试。（图片来源：Nowi）

结论

随着促成大规模物联网的 5G 技术的推出，为设计者带来了令人兴奋的挑战和机会，能够重新考虑无线节点的供电方式。我们必须考虑各种技术、环境和经济因素，以确定每个应用的最佳电源架构。我们必须使用各种基于 EH 的方法来提高电池的能力。在许多情况下，EH 将与一次或二次电池、传统电容器或超级电容器组合使用。