各種形式的智能生活是提高生活質量和可持續性的關鍵，隨著組織接近數字化轉型，物聯網部署正在繼續取得進展。

無線連接到聚合設備或互聯網網關的傳感器或不太常見的執行器是最常見的物聯網端點。在智慧城市、智慧工業、智慧農業等場景中，它們經常大量部署，分散在廣闊的地理區域。執行現場維護（例如更換放電電池）的成本高得令人望而卻步。此外，用過的電池正成為一種令人無法接受的重大生態負擔。

工程師可以通過提供足夠的能量來延長設備的預計使用壽命，從而避免在設計端點時需要更換電池。這可能需要很長時間。由于尺寸限制，通常首選紐扣電池外形。如果存儲的能量達不到系統的要求，則安裝更大的電池可能是一種替代方法。

重新設計電路以將整體系統能耗降低到可用單元存儲以下是另一種選擇。任一策略或兩者的組合都可能達不到目標。

微瓦或毫瓦數量級的微能量收集可以提供有用且可能取之不盡的電能供應，這些電能是從周圍環境中捕獲的。這可以補充或替代原電池，具體取決于應用和可用的環境能量。收集和轉換的能量可以直接為電路供電。另一方面，在需要之前將能量存儲在緩沖器中可能是更合適的方法。

在任何情況下，都需要合適的環境能源，能夠滿足應用的需要。在物聯網端點的各個子系統中，無線電的能源需求最大。分析這里的需求，為能量收集系統的設計和集成提供信息可能是有益的。

無線電子系統功耗

選擇最合適的無線技術以盡可能低的功耗提供所需的數據速率和通信范圍至關重要。

如果傳感器的位置距離聚合器或網關（例如連接到 Internet 或通過本地電信交換機的集線器或路由器）只有很短的距離，則藍牙、Zigbee 或 Wi-Fi 等技術可能是合適的，具體取決于所需的數據速率以及成本限制。在其他情況下，例如端點分布在地理上很大的區域，可能需要 LPWAN 或蜂窩連接。圖 1 比較了 IoT 應用中使用的主要技術的功耗、數據速率、典型最大范圍和相對成本。

圖 1：流行的物聯網無線通信技術的比較。（來源： BehrTech）。

The range, data rate, and power consumption can also be expressed numerically to aid direct comparison. As figure 2 shows, a wireless subsystem can consume from as little as 150μW to 400mW.

Figure 2: Comparison between data rate, bandwidth, and power consumption. (Source:Voler Systems.)

要充分了解對系統整體能源需求的影響，還需要考慮占空比。智能公用事業儀表等應用涉及每天或每隔幾天發送幾次小數據包。其他設備（例如安全攝像頭）可能需要頻繁或連續發送大量數據。根據應用，可以通過在傳輸前在系統內本地過濾數據來減少占空比；相機可能裝有運動傳感器，僅在檢測到活動時才開始記錄，或者嵌入式圖像處理可能會丟棄無趣的數據。當然，過濾數據所需的能量必須與降低占空比節省的能量進行比較，以確保凈收益。

環境能源

了解無線子系統所需的能量和功率后，就可以評估合適的環境源和微能量收集技術。

適合為這些系統供電的主要微型能量收集技術是太陽能電池陣列、由振動激活的壓電或靜電轉換器，以及將溫度梯度轉換為電動勢 (EMF) 的珀爾帖裝置。通過貼片或線圈天線捕獲的 RF 能源往往不適用于除最節儉的物聯網應用之外的所有應用。圖 3 比較了與這些技術相關的典型能量密度。使用此信息，可以通過評估可用組件的尺寸和性能來選擇技術并開始制定規范。

圖 3：收集的環境能源的功率密度。

面積為 35-40cm 2 的太陽能電池可以產生大約 0.5 瓦的功率，假設效率約為 20%。這些產品的每臺售價不到 1 美元，而壓電采集器通常至少要貴一個數量級，并且產生的能量更少。眾所周知，太陽能電池在室內使用時效率較低。然而，最近推出了一些室內太陽能收集器，聲稱可以為低功率無線電提供足夠的輸出。

把這一切放在一起

利用這些進步，微能量收集可被視為減少或消除物聯網端點電池的解決方案。因為當物聯網設備需要傳輸或接收數據時，能源本身通常是不規則的并且不一定可用，所以通常需要能量緩沖器或存儲設備。這可以是可充電電池或電容器（或超級電容器）。需要一個能量收集電源管理 IC (EH PMIC) 來處理來自收集子系統的能量，管理提供給能量緩沖器的電荷，并在需要時為負載供電，如圖 4 所示。各種能量收集技術具有不同的電氣特性。熱電采集器在低電壓下產生連續的直流電流，因此具有低阻抗。雖然太陽能電池也會產生低直流電壓，

圖 4：EH PMIC 處理能量緩沖器的充電并為應用供電

當今市場上的典型 EH PMICS 具有固定的架構和輸入電壓范圍，旨在與特定類型的采集器配合使用。如果單獨的一個來源不能滿足系統要求，這就排除了使用替代收集器來捕獲額外的環境能量的可能性。因此，如果需要多個能源，則每個能源都需要一個專用的 EH PMIC。這會增加系統成本、尺寸和功耗，還會使設計復雜化。

一些 EH PMIC 可以使用外部電路進行修改，以調節能量收集器的輸出。然而，為了簡化系統設計，Trameto 的 EH PMIC（稱為 OptiJoule）提供的輸入可以自動適應各種類型的連接采集器，并最大限度地提高輸送到緩沖器的功率，而無需外部電路。版本可用于單個輸入或最多四個輸入。多輸入版本具有連接相似或不同類型收割機的靈活性。因此，借助 OptiJoule 設備，可以擴展微型能量收集能力，將單個 PMIC 用于多種應用，甚至可以將能量收集技術的選擇推遲到產品開發后期（如果需要）。

結論

通過優化無線電協議、低能耗微處理器設計、低功率傳感器的發展以及微能量收集效率的提高，環境能量已成為幫助減少或消除對電池的依賴并延長物聯網終端運行壽命的可行來源。場。在集成選定的微能量收集技術時，EH PMIC 的最新發展為管理尺寸、成本和復雜性提供了額外的靈活性。

審核編輯 黃昊宇