嵌入式處理器用能量採集技術特別報告

能量採集的發展有兩個焦點：一方面，要着眼能量轉換本身（該技術尚未成熟，但不久以後會涌現大量應用）；另一方面，業界正在研究超低功耗傳感器節點器件，nA級的功耗對電池壽命的影響極小。

如果你的物聯網項目不是機器人或機器工具，那麼它可能是（或包含有）遠程傳感器節點。它將會使用小型化電池爲自身供電。理想情況下，物聯網項目中採用能量採集技術爲的是完全去掉電池。更有可能的情況是，所採集的能源是用來補充電池輸出，從而使電池使用時間更長。因此，能量採集的發展有兩個焦點：一方面，要着眼能量轉換本身（該技術尚未成熟，但不久以後會涌現大量應用）；另一方面，業界正在研究超低功耗傳感器節點器件，nA級的功耗對電池壽命的影響極小。

具有諷刺意味的是，一些遠程傳感器節點被稱爲“能量採集器”（在某些產品資料中稱爲“EH”）。它們使用只需很小電流就可工作的器件——如μA/MHz級功耗的微處理器。EH開發套件的發展主題不是將環境能量轉換爲可用直流電壓的技術，而是傳感器、信號調理IC、微功耗控制器和通信端口等超低功耗系統器件，從而使電池顯得可有可無。

事實上，儘管有若干不斷演進的技術（例如可以利用光伏面板進行大規模能量轉換），能量採集技術實際上還處於起步階段。目前，屋頂太陽能電池板可以轉換足夠的能量來爲家庭或辦公室供電。但大規模儲能仍是挑戰。電容式存儲系統（一些與翻斗車一樣大）可提供長期可用儲能，但對於嵌入式移動系統來說，這類系統基本不具便攜性。

能量採集換能器的尺寸仍然是能量採集技術的關鍵。大功率系統依賴於更大的能量轉換器：太陽能電池可提供100mW/cm²功率——1cm²就足以爲袖珍計算器供電。但是通過其他能量採集技術採集到的能量卻達不到這個指標。熱梯度能量採集器可提供10mW/cm²；振動（壓電）能量採集器可提供100μW/cm²。射頻（RF）能量採集器由於有太多的能量可以收集，似乎很受歡迎，但它才產生0.1µW（100pW）/cm²。

能量採集技術

環境能量轉換器的效率雖然不是特別高，但仍受其工作環境的制約。舉個荒謬的例子，儘管可以使用染料昇華技術（DSSC）調節太陽能轉換器對室內照明波長（例如由熒光管發射的約600nm波長）的靈敏度，你也不會從鎖在室內衣櫃中的太陽能電池採集到很多能量。

壓電器件（異質金屬“夾層”）可以通過機械形變產生可用電壓，但與傳感器的面積和形變相比，採集的電能仍然非常小。你可以用鞋內的壓電器件產生的能量爲你的手機電池充電，但這需要一週時間。

熱梯度是一種不同類型的“夾層”，聲稱具有高轉換效率和高輸出。它利用的是塞貝克效應，且半導體夾在熱板和冷板之間。雖然支持者聲稱具有高轉換效率，但是採集的電量是熱冷板（它們的尺寸和冷熱金屬之間溫差）的函數。溫差越大，可用的電能就越大。但是，這種能量轉換方式只有在溫差大的地方（像在加拿大北極地帶有一塊熱板一樣），效果才最佳。

壓電式能量採集器的應用包括運動器件和振動監視器。無線HVAC傳感器和移動資產跟蹤在各製造商的產品資料中被確定爲可行的傳感器；壓電器件似乎更適合於檢測機械力和形變，而不是氣態條件（如溫度和溼度）。

智能樓宇應用

智能樓宇用能量採集器主要是HVAC傳感器，用於監視會議室佔用（紅外線功能）以及空氣溫度、溼度和CO₂含量。其他智能樓宇傳感器用於監視照明（包括窗燈、房間燈和遮陽控制）。安全傳感器用於檢查房間非法佔用和侵擾。電力公司監控可執行抄表和電能使用錯峯控制。EH系統提供“平臺即服務”（PaaS）雲服務交互，可實現藍牙和其他網絡通信。

郵箱功能（如設備服務標籤）與微控制器配合使用。對於數據記錄應用，EH模塊可支持冷凍食品運輸的冷鏈時間和溫度監測。醫療應用包括智能貼片，其中傳感器用於監測血糖、體溫、溼度、pH值和氧氣含量。（德州儀器的網站有氣體檢測器參考設計）

壓電器件的一個交叉應用可能是汽車輪胎壓力傳感器，它報告氣體產生的機械力。壓電運動檢測器應用的一個有趣的新趨勢是將其整合到織物中，這種技術可支持可穿戴技術。

圖1：壓電運動檢測器應用的一個有趣的新趨勢是將其整合到織物中，這種技術可支持可穿戴技術。（來源：博爾頓大學）

保持小體積

在技術開發方面，模擬半導體製造商將其研發工作重點放在超低功耗半導體，而不是太陽能電池或特定調諧振動傳感器。可穿戴設備、遠程傳感器節點（包括網狀網絡）、移動傳感器（如氣體檢測器）和運動檢測器需要小型（甚至微型）能量轉換器，而不是使用像鐵路機車那樣大的能量採集器。

圖2：零功耗傳感器幾乎能夠從任何環境中收集能量。能源包括光、振動、流動、運動、壓力、磁場和RF。（來源：Cymbet公司）

因此，各半導體製造商在其數據表和白皮書上發佈的公告都強調超低功耗。像ADI公司LTC3588、美信公司MAX17710或德州儀器公司bq25504這樣的信號調理IC即使在多種混合負載情況下也強調超低流耗。例如，LTC3588的資料表明，儘管其高阻抗輸入可以面向各種能源，但它對壓電輸入進行了優化。LTC3588本質上是一款靜態電流爲450nA的低功耗AC-DC轉換器。其輸入範圍爲2.7V至20V，輸出可低至1.8V，壓差不超過400mV。

美信聲稱其MAX17710能管理穩壓較差的輸入源，輸出功率範圍爲1μW至100mW。該器件可以從多種能量轉換源提供超過20mA的電流。TI的BQ25504同樣本質上是一款超低功耗高效率的DC-DC，可從低輸入源（例如80mV）提供連續的能量採集。其靜態電流小於330nA。

EH處理器

MCU功耗的規範也類似關注超低功耗應用。技術上，功耗是流耗（μA或nA）與生成電壓（通常爲mV）的乘積。在能量採集器的接收端，這個數字可能是μV。

IoT常見的設計目標是儘可能減小啓動節點用器件的體積和流耗。系統模塊（除電源管理器件之外）包括傳感器、傳感器信號調理電路、微控制器（μA級流耗）和用以通知數據差異的通信器件（如低功耗藍牙，BLE）。

ARM Cortex M的各個版本都誇耀其看似極微的功耗，例如Atmel公司32位ARM Cortex M0+在活動模式下的功耗爲35μA/MHz。該處理器在睡眠模式下總共消耗200nA。美國科技博客ARS Technica上的博文“New ARM-powered chip aims for battery life measured in decades”指出，如果我們談論持久的電池壽命，那對這款低功耗微控制器來說，就不僅僅是幾年，而是幾十年。