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來(lái)源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard 隨著 5G 技術(shù)的推廣，使得工業(yè) 4.0 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、智慧物流、智慧城市、智能農(nóng)業(yè)和其他大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了爆炸式增長(zhǎng)。在這一過程中設(shè)計(jì)者獲得了獨(dú)特的機(jī)會(huì)，讓他們能夠重新考慮網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的方方面面，包括新范式電源。 為數(shù)十億無(wú)線節(jié)點(diǎn)提供可擴(kuò)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(wǎng)的推廣普及。僅使用更多的電池是不夠的。在越來(lái)越多的情況下，電池將得不到補(bǔ)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(shù)為大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)提供電力。EH 技術(shù)在不斷進(jìn)步，使其在大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電方面成為越來(lái)越有吸引力的選擇。這對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)無(wú)疑是幸運(yùn)的。 本博客簡(jiǎn)述了為數(shù)十億個(gè)大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線節(jié)點(diǎn)供電時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)，以及在確定 EH 技術(shù)是否能提供一種可行的解決方案時(shí)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(duì)大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)中 EH 技術(shù)評(píng)估所需的開發(fā)環(huán)境。 在確定如何為大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)供電時(shí)要考慮以下五個(gè)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(huì)影響節(jié)點(diǎn)的峰值和平均功率需求，且取決于所采用的無(wú)線通信協(xié)議。例如，當(dāng)使用低功耗藍(lán)牙技術(shù)時(shí)，一個(gè) 10 cm 見方的光伏板可以支持?jǐn)?shù)據(jù)包定期傳輸，大致數(shù)據(jù)如下： · 在零售店的室內(nèi)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(cāng)庫(kù)和工廠的照明水平下：1 次 / 2 s 工作環(huán)境也會(huì)影響電池的適用性和成本。在如零售店或辦公室等相對(duì)良好的環(huán)境中，價(jià)格較低的電池可以達(dá)到合理的工作壽命，使 EH 技術(shù)的成本相對(duì)較高。如果無(wú)線節(jié)點(diǎn)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(xué)電池，使得 EH 技術(shù)相對(duì)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(huì)增加電池更換次數(shù)，從而增加維護(hù)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(shè)計(jì)者可以從以下幾個(gè)支持 EH 技術(shù)的電源架構(gòu)中選擇： · 主電池供電，輔以 EH 技術(shù)延長(zhǎng)電池壽命。保持電池供電優(yōu)勢(shì)，同時(shí)減少不利影響 · 充電電池與 EH 技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的使用壽命，無(wú)需再更換電池 · 電容器或超級(jí)電容器與 EH 技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)無(wú)電池系統(tǒng)和最長(zhǎng)使用壽命 EH 技術(shù)控制器和電源管理 IC 對(duì)于那些可以從組合式電源管理 IC (PMIC) 和 EH 控制器獲益的應(yīng)用，設(shè)計(jì)者可以轉(zhuǎn)而采用 EM Microelectronic 的 EM8500 。該 PMIC 為 EH 源提供最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT)，為不同的系統(tǒng)功能提供四個(gè)獨(dú)立的輸出電壓（圖 1）。該產(chǎn)品可與各種 EH 技術(shù)對(duì)接，包括熱電發(fā)電機(jī) (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(jí)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(gè)輸出電壓。（圖片源：EM Microelectronic） EM8500 開發(fā)套件 設(shè)計(jì)者可使用 EMDVK8500 開發(fā)套件來(lái)配置和評(píng)估 EM8500（圖 2）。該開發(fā)套件包括配置 EM8500 所需的軟件、測(cè)量由此構(gòu)的建解決方案性能的工具。
圖 2：EMDVK8500 可以配置 EM8500 PMIC 并測(cè)量由此構(gòu)建的解決方案的性能。（圖片源：EM Microelectronic） EH 控制器 IC 和評(píng)估板 對(duì)于不需要完整的電源管理解決方案的設(shè)計(jì)，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(yīng)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(jí)電容器等儲(chǔ)能器件。MPPT 算法的運(yùn)行獨(dú)立于具體的能量采集器，能夠以 1 秒的時(shí)間間隔檢測(cè)最大功率點(diǎn)，從而在動(dòng)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(lái)源：Nowi） NH2D0245 評(píng)估板是為了加快測(cè)試 NH2D0245 的性能和功能而設(shè)計(jì)的（圖 4）。要使用這款評(píng)估板，需要一個(gè)能量采集器、一個(gè)電池或超級(jí)電容器以及萬(wàn)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(píng)估板的直流 (DC) 輸入之間添加整流器。
圖 4：NH2D0245 評(píng)估板可以加快對(duì) EH 控制器的功能和性能的測(cè)試。（圖片來(lái)源：Nowi） 結(jié)論 隨著促成大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)的 5G 技術(shù)的推出，為設(shè)計(jì)者帶來(lái)了令人興奮的挑戰(zhàn)和機(jī)會(huì)，能夠重新考慮無(wú)線節(jié)點(diǎn)的供電方式。我們必須考慮各種技術(shù)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)因素，以確定每個(gè)應(yīng)用的最佳電源架構(gòu)。我們必須使用各種基于 EH 的方法來(lái)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(jí)電容器組合使用。 |
