能量收集(Energy Harvesting),又称能量采集,因其能够极大延长电池寿命甚至支持无电池设计,在设备数量庞大的物联网领域具有重要的应用价值和广阔前景。作为推动物联网新兴应用的关键技术之一,它正塑造着行业发展的未来。
物联网中的能量收集技术与其他领域相比,对系统体积常提出更严苛的要求。典型设计多结合MCU与专用能量收集IC,并搭配低功耗、高精度电源管理芯片,以实现完整功能。
实现精准的能量收集与充电是当前的重点。目前物联网设备主要依靠有线电源或电池供电,部署后存在维护难度大、寿命有限等制约。为提升设备可维护性、降低运营成本并缓解电池对环境的影响,更多物联网设备将转向能量收集解决方案。
该技术的长远愿景是使物联网设备无需布线或更换电池,便能在全生命周期实现永久运行。
物联网能量收集的能量来源主要包括光能、射频(RF)能量、温差(TEG)能量和机械能等。电源管理IC将这些能量高效转化为稳定电压,或为电池、超级电容等储能元件充电,构成其基本工作原理。
在不断创新推动下,能量收集技术已用于物联网无线传感器、工业设备、楼宇自动化、智能电网、农业和可穿戴设备等领域。然而,因能量来自环境,收集效率低、不稳定等问题仍然存在,因此目前多与电池系统协同使用。
以光能为例,能量收集通常搭配二次电池,系统典型结构包括收集、调节与储存。能量收集器捕获能量并输出电能,电源管理IC调节电压以适应负载,最终能量存入二次电池。
在此结构中,电源管理IC起到桥梁作用,连接收集器与电池,其性能直接影响系统转换和收集效率。
MF9006是一款集成了电量管理、充放电管理与储能管理的微光收集管理充电芯片。该芯片可在低至400mV电压和15μW功率下冷启动,之后从太阳能板等设备获取直流电,为电池或超级电容充电,并通过两个LDO稳压器为不同负载供电。其特性包括:
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超低功率启动:400mV和15μW下冷启动;
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升压调节器:引脚配置MPPT,可选70%、75%、85%、90%;每5秒检测MPPT开路电压;工作输入电压150mV–5V;
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高压LDO:最大负载电流80mA;输出1.8V–4.2V可调;引脚开关控制;
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电池管理:可配置过充/过放保护;电池耗尽与LDO状态提示;
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电池切换:储能耗尽时自动切换一次电池,恢复后自动返回;
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超低关机功耗:仅580nA。
能量收集之所以被看作物联网的未来,是因为其与低功耗应用方案高度相关。以往为延长电池寿命,物联网设备常限制带宽与数据上传次数,长期处于休眠。随着能量收集技术成熟,设备可依环境灵活调整用电,在保证寿命与低成本的同时增强功能多样性。
IDTechEx研究指出,能量收集市场规模将从2017年的4亿美元增至2024年的26亿美元。在物联网低功耗趋势下,能量来源和技术的不断成熟将使更多应用受益于“低功耗+能量收集”技术组合。
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