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來源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard 隨著 5G 技術的推廣，使得工業(yè) 4.0 無線傳感器網絡、智慧物流、智慧城市、智能農業(yè)和其他大規(guī)模物聯(lián)網應用實現(xiàn)了爆炸式增長。在這一過程中設計者獲得了獨特的機會，讓他們能夠重新考慮網絡架構的方方面面，包括新范式電源。 為數(shù)十億無線節(jié)點提供可擴展、可靠的電源是極具挑戰(zhàn)性的。如果不解決這一問題，將阻礙大規(guī)模物聯(lián)網的推廣普及。僅使用更多的電池是不夠的。在越來越多的情況下，電池將得不到補充或者被淘汰。取而代之的是，需要采用各種形式的能量采集 (EH) 技術為大規(guī)模物聯(lián)網提供電力。EH 技術在不斷進步，使其在大規(guī)模物聯(lián)網設備供電方面成為越來越有吸引力的選擇。這對設計者來說無疑是幸運的。 本博客簡述了為數(shù)十億個大規(guī)模物聯(lián)網無線節(jié)點供電時所面臨的挑戰(zhàn)，以及在確定 EH 技術是否能提供一種可行的解決方案時需要考慮的一些因素。然后，介紹 EM Microelectronic 和 Nowi 的能量采集電源管理 IC 以及加快對大規(guī)模物聯(lián)網中 EH 技術評估所需的開發(fā)環(huán)境。 在確定如何為大規(guī)模物聯(lián)網節(jié)點供電時要考慮以下五個因素： · 數(shù)據(jù)速率 · 傳輸范圍 · 延遲 · 工作環(huán)境 · 環(huán)境影響和管理/后勤 數(shù)據(jù)速率、傳輸范圍和延遲會影響節(jié)點的峰值和平均功率需求，且取決于所采用的無線通信協(xié)議。例如，當使用低功耗藍牙技術時，一個 10 cm 見方的光伏板可以支持數(shù)據(jù)包定期傳輸，大致數(shù)據(jù)如下： · 在零售店的室內照明水平下：1 次 / 100 ms · 在典型辦公環(huán)境的照明水平下：1 次 / 200 ms · 在倉庫和工廠的照明水平下：1 次 / 2 s 工作環(huán)境也會影響電池的適用性和成本。在如零售店或辦公室等相對良好的環(huán)境中，價格較低的電池可以達到合理的工作壽命，使 EH 技術的成本相對較高。如果無線節(jié)點部署在惡劣的工業(yè)或戶外環(huán)境中，就需要更昂貴的化學電池，使得 EH 技術相對更有吸引力。 環(huán)境影響和管理問題也是考慮因素。原電池的壽命有限，這會增加電池更換次數(shù)，從而增加維護和管理/后勤成本，最終由于處理廢舊電池而影響環(huán)境。為了解決如此眾多的問題，設計者可以從以下幾個支持 EH 技術的電源架構中選擇： · 主電池供電，輔以 EH 技術延長電池壽命。保持電池供電優(yōu)勢，同時減少不利影響 · 充電電池與 EH 技術相結合，實現(xiàn)更長的使用壽命，無需再更換電池 · 電容器或超級電容器與 EH 技術相結合，實現(xiàn)無電池系統(tǒng)和最長使用壽命 EH 技術控制器和電源管理 IC 對于那些可以從組合式電源管理 IC (PMIC) 和 EH 控制器獲益的應用，設計者可以轉而采用 EM Microelectronic 的 EM8500 。該 PMIC 為 EH 源提供最大功率點跟蹤 (MPPT)，為不同的系統(tǒng)功能提供四個獨立的輸出電壓（圖 1）。該產品可與各種 EH 技術對接，包括熱電發(fā)電機 (TEG)、微瓦 (μW) 至毫瓦 (mW) 范圍的光伏電池。EM8500 可與一次或二次電池、傳統(tǒng)電容器或超級電容器組合使用。EM8500-A001-LF24B+ 型器件采用 4 x 4 mm 24 針 QFN 封裝。 
圖 1：EM8500 PMIC 包括 EH 源的 MPPT，并為系統(tǒng)提供四個輸出電壓。（圖片源：EM Microelectronic） EM8500 開發(fā)套件 設計者可使用 EMDVK8500 開發(fā)套件來配置和評估 EM8500（圖 2）。該開發(fā)套件包括配置 EM8500 所需的軟件、測量由此構的建解決方案性能的工具。
圖 2：EMDVK8500 可以配置 EM8500 PMIC 并測量由此構建的解決方案的性能。（圖片源：EM Microelectronic） EH 控制器 IC 和評估板 對于不需要完整的電源管理解決方案的設計，Nowi 的 NH2D0245 是一款具有 MPPT 算法的緊湊型高性能 EH 控制器，用于低功耗應用，采用 16 引線、3×3 mm QFN 封裝（圖 3）。NH2D0245 可用于各種 EH 源，包括光伏、電感和壓電，以及可充電電池或超級電容器等儲能器件。MPPT 算法的運行獨立于具體的能量采集器，能夠以 1 秒的時間間隔檢測最大功率點，從而在動態(tài)環(huán)境中最大限度地提高效率。
圖 3：NH2D0245 EH 控制器具有 MPPT 算法功能，采用 3 mm 方形 QFN 封裝。（圖片來源：Nowi） NH2D0245 評估板是為了加快測試 NH2D0245 的性能和功能而設計的（圖 4）。要使用這款評估板，需要一個能量采集器、一個電池或超級電容器以及萬用表。如果使用如壓電采集器等具有交流 (AC) 輸出的能量采集器，必須在能量采集器和評估板的直流 (DC) 輸入之間添加整流器。
圖 4：NH2D0245 評估板可以加快對 EH 控制器的功能和性能的測試。（圖片來源：Nowi） 結論 隨著促成大規(guī)模物聯(lián)網的 5G 技術的推出，為設計者帶來了令人興奮的挑戰(zhàn)和機會，能夠重新考慮無線節(jié)點的供電方式。我們必須考慮各種技術、環(huán)境和經濟因素，以確定每個應用的最佳電源架構。我們必須使用各種基于 EH 的方法來提高電池的能力。在許多情況下，EH 將與一次或二次電池、傳統(tǒng)電容器或超級電容器組合使用。 |
