人們常提議利用環(huán)境能量采集技術(shù)為遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電池充電，但這種技術(shù)尚未普及。本博客探討了導(dǎo)致這一情況的原因，并介紹了Nexperia（安世半導(dǎo)體）的創(chuàng)新型電源管理集成電路(PMIC)，該集成電路將從根本上提高能量采集的可行性，且環(huán)境效益顯著。

對(duì)于許多遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備而言

更換電池?zé)o甚意義

包括物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境傳感器、智能標(biāo)簽和電子貨架標(biāo)簽在內(nèi)，許多便攜式或遠(yuǎn)程設(shè)備的用例最終都有一項(xiàng)成本必須由終端客戶承擔(dān)，主要原因是電池更換。

在擁有成百上千個(gè)傳感器或 ESL 的大型系統(tǒng)中，適當(dāng)更換、回收或處理耗盡的電池需要耗費(fèi)大量的人力和物力。這對(duì)此類技術(shù)的采用產(chǎn)生了負(fù)面影響。因此，為了盡量減少更換電池的次數(shù)，用戶別無(wú)選擇，只能接受這些設(shè)備提供的較低性能水平。

例如，工廠或智能樓宇運(yùn)營(yíng)商可能會(huì)對(duì)傳感器進(jìn)行編程，使其每小時(shí)只提供一次環(huán)境溫度讀數(shù)，而不是更有規(guī)律地提供讀數(shù)，從而最大限度地延長(zhǎng)設(shè)備在睡眠模式下的時(shí)間，幫助最大限度地減少對(duì)電池的消耗。然而，在其他便攜式應(yīng)用中，犧牲性能不被接受，例如電視遙控器，在其使用期限內(nèi)不可避免地需要多次更換電池。

此外，電池處置不當(dāng)還會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。例如，歐盟歐洲統(tǒng)計(jì)局的數(shù)據(jù)（廢物統(tǒng)計(jì) - 回收的電池和蓄電池，2023年1月）顯示，2020 年售出的便攜式電池和蓄電池約為 22.9 萬(wàn)噸，而回收利用的僅有約 9.9 萬(wàn)噸。這些設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量有害廢物，通常被丟棄在有害垃圾填埋場(chǎng)，對(duì)環(huán)境造成威脅。

由于固有缺陷

能量收集裝置尚無(wú)法取得成功

通過(guò)能量采集技術(shù)收集環(huán)境能量并將其用于電子設(shè)備供電有望攻克這些限制。能量采集量大于消耗量的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)完全的能量自主，但到目前為止，有兩個(gè)主要因素限制了其應(yīng)用。首先，現(xiàn)有產(chǎn)品尺寸較大，材料成本高。這些產(chǎn)品使用 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，附帶一個(gè)體積龐大且價(jià)格昂貴的電感器，然而，這樣的設(shè)計(jì)存在問(wèn)題，因?yàn)樵S多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的外形尺寸無(wú)法容納電感式開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器。其次，由于環(huán)境能量的可變性（如光照強(qiáng)度的波動(dòng)），這些解決方案需要復(fù)雜的定制才能達(dá)到最佳功率轉(zhuǎn)換效率，也就意味著應(yīng)用并非易事。

Nexperia的能量采集 PMIC

可將板面積縮小達(dá) 20 倍

圖 1 顯示的是 Nexperia 的 NEH2000BY 高性能 PMIC，它可以利用從環(huán)境中采集的能量為電池充電。該 PMIC 專門為光伏(PV)采集器進(jìn)行了優(yōu)化，但可以與符合其輸入電壓范圍的任何其他采集器集成。針對(duì)特定應(yīng)用，NEH2000BY 會(huì)采用自適應(yīng)算法，以優(yōu)化將采集的能量轉(zhuǎn)移至電池的方式。這樣，設(shè)計(jì)人員可以在不影響性能的前提下，開(kāi)發(fā)出在使用壽命內(nèi)無(wú)需更換電池的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

這種獨(dú)特設(shè)計(jì)的另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)在于，它僅使用了三個(gè)微小的外部電容器，而沒(méi)有使用電感器。這大大簡(jiǎn)化了 PCB 設(shè)計(jì)，同時(shí)顯著減小了板尺寸和 BOM 總成本——總組裝面積僅為 12mm2。此外，這使得能量采集設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單明了，尺寸較現(xiàn)有解決方案縮小 20 倍，而且無(wú)需針對(duì)個(gè)別應(yīng)用進(jìn)行手動(dòng)優(yōu)化。

圖1. PV 能量采集應(yīng)用中的 NEH2000BY PMIC

最大功率點(diǎn)跟蹤算法

適合各種應(yīng)用

為更大限度地提高轉(zhuǎn)換效率，能量采集系統(tǒng)中使用的功率轉(zhuǎn)換必須能夠適應(yīng)環(huán)境能量的波動(dòng)。這意味著，日常采集的能量主要取決于系統(tǒng)找到最佳功率轉(zhuǎn)換配置的速度。NEH2000BY 可自動(dòng)運(yùn)行，無(wú)需預(yù)先編程，并會(huì)執(zhí)行最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)，以實(shí)現(xiàn)高達(dá) 80% 的最佳平均轉(zhuǎn)換效率。這種獨(dú)特的 MPPT 算法不僅速度快，而且精度高，讓PMIC能夠在 1 秒鐘內(nèi)適應(yīng)環(huán)境變化。這比目前可用的任何解決方案都快得多，并可以大幅提高一天內(nèi)采集到的能量，從而大大擴(kuò)展了其應(yīng)用領(lǐng)域。

環(huán)境效益顯著

NEH2000BY 能夠在功耗低至幾微瓦的應(yīng)用（包括無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、可穿戴智能標(biāo)簽和電子貨架標(biāo)簽）中，從各種環(huán)境源采集能量，以幫助節(jié)約成本。此外，那些應(yīng)用將不再需要更換電池或者無(wú)需電池，從而可顯著減少有害廢物的產(chǎn)生，帶來(lái)巨大的環(huán)境效益。NEH2000BY 采用 16 引腳 3 mm × 3 mm QFN 封裝，工作溫度范圍為 -40℃ 至 +85℃，它有望徹底改變遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的能量采集。

審核編輯：劉清