5G 技术的广泛推广,让工业 4.0 无线传感器网络、智慧物流、智慧城市、智能农业以及众多大规模物联网应用呈现出爆炸式的增长态势。不过,在这一发展过程里,为数十亿无线节点提供可扩展且可靠的电源,面临着极大的挑战。要是这个问题得不到妥善解决,大规模物联网的推广普及将会受到阻碍。
仅仅增加电池的数量是不行的。在越来越多的情况下,电池无法得到补充或者会被淘汰掉。所以,需要采用各种形式的能量采集(EH)技术来为大规模物联网提供电力。随着 EH 技术不断发展,它在大规模物联网设备供电方面变得愈发有吸引力。
在确定大规模物联网节点的供电方式时,需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、传输范围和延迟会对节点的峰值和平均功率需求产生影响,而这些需求又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,一块 10 cm 见方的光伏板能够支持数据包的定期传输,具体数据如下:
在零售店的室内照明水平下,每 100 ms 传输一次;
在典型办公环境的照明水平下,每 200 ms 传输一次;
在仓库和工厂的照明水平下,每 2 s 传输一次。
工作环境也会对电池的适用性和成本造成影响。在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,此时 EH 技术的成本相对较高。而当无线节点部署在恶劣的工业或户外环境中时,就需要更昂贵的化学电池,这使得 EH 技术相对更具吸引力。
环境影响和管理问题同样是需要考虑的因素。原电池的寿命有限,这会增加电池更换的次数,进而增加维护和管理/后勤成本,最终还会因为处理废旧电池而对环境产生影响。为了解决这些问题,设计者可以从以下几个支持 EH 技术的电源架构中进行选择:
采用主电池供电,并辅以 EH 技术来延长电池寿命,这样既能发挥电池供电的优势,又能减少其不利影响。
将充电电池与 EH 技术相结合,实现更长的使用寿命,无需再更换电池。
把电容器或超级电容器与 EH 技术相结合,实现无电池系统,获得最长使用寿命。
设计者还可以借助微能量采集芯片 MF9006 来获得 EH 技术的支持。MF9006 是一款用于 EH 电源管理的集成电路芯片,其尺寸为 5*5mm,集成了电量管理、充放电管理、储能器件管理等功能。该芯片能够在低至 400mV 电压和 15μW 功率的能量输入场景下实现冷启动,启动后可以从太阳能电池板等光量转换装置获取直流电,为可充电电池或超级电容器等储能元件充电,并且可以通过两个 LDO 稳压器为不同的负载提供稳定的工作电压。此外,该 EH 芯片支持电池切换,当储能电池耗尽时,会自动切换到一次电池;当储能电池恢复后,会自动切换回储能电池。
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