物聯網具有提(ti)高(gao)(gao)效率、提(ti)高(gao)(gao)安全性以及實現(xian)全新的(de)商業模式的(de)潛力，幾乎(hu)適用于(yu)生(sheng)活或行(xing)業的(de)任何方面，隨(sui)著AI技術和傳感(gan)器技術的(de)進步，智能(neng)(neng)物聯網正迎來爆發的(de)態勢。例如(ru)，為了可靠和高(gao)(gao)效地運行(xing)一個工(gong)(gong)業工(gong)(gong)廠，它有助于(yu)擁有盡可能(neng)(neng)多的(de)監測(或控制)點，更(geng)多的(de)傳感(gan)器意味著更(geng)好的(de)監控。
然而(er)，正(zheng)是因為(wei)物(wu)聯網無處不(bu)在(zai)的(de)(de)特性，也(ye)給工程師部署帶來諸(zhu)多難(nan)題(ti)，其中電(dian)源供(gong)電(dian)這項看起來非常簡(jian)單的(de)(de)任務，有時候裝(zhuang)置既不(bu)能(neng)獲得直接電(dian)源，拉線(xian)或更(geng)換(huan)電(dian)池(chi)也(ye)不(bu)切實(shi)際。即(ji)使(shi)使(shi)用長壽命電(dian)池(chi)，最(zui)終也(ye)需要更(geng)換(huan)電(dian)池(chi)，進行(xing)現場(chang)維護。供(gong)電(dian)問(wen)題(ti)如(ru)何有效(xiao)解(jie)決，成為(wei)難(nan)題(ti)。
近(jin)年來，隨(sui)著(zhu)超低功(gong)耗(hao)電(dian)源管(guan)理技術(shu)(shu)以及能(neng)量(liang)采集(ji)傳感(gan)技術(shu)(shu)的進步(bu)，能(neng)量(liang)采集(ji)這種“無(wu)(wu)能(neng)耗(hao)供電(dian)”模式(shi)開始成(cheng)為重要選(xuan)項。能(neng)量(liang)采集(ji)(或(huo)(huo)稱(cheng)為功(gong)率(lv)采集(ji)或(huo)(huo)能(neng)量(liang)提(ti)取)允許(xu)電(dian)子裝置在無(wu)(wu)法獲(huo)得常規電(dian)源的場合(he)正(zheng)(zheng)常工作(zuo)，無(wu)(wu)需拉(la)線或(huo)(huo)更換電(dian)池，這正(zheng)(zheng)在成(cheng)為賦能(neng)物聯(lian)網的關鍵技術(shu)(shu)。
無處不在的“無能耗供電”能量采集場景
在大量的物聯網應用對能源(yuan)的(de)需求其(qi)實(shi)非常低，一(yi)節紐扣電(dian)池甚至就(jiu)可以工作幾個(ge)月甚至幾年，然而這(zhe)種非可持續供電(dian)的(de)能源(yuan)終究會帶(dai)來很(hen)多(duo)問(wen)題，除了廢(fei)舊電(dian)池帶(dai)來的(de)環境危害(hai)，在很(hen)多(duo)應(ying)用場景來說更換電(dian)池可能面臨昂貴的(de)維護成本：例如森(sen)林防火監測(ce)、橋梁監測(ce)、化工廠(chang)的(de)罐體(ti)監測(ce)，甚至像高壓電(dian)力(li)線這(zhe)樣一(yi)個(ge)電(dian)能輸(shu)送通(tong)道中我們一(yi)樣需要討論設(she)備供電(dian)問(wen)題。
這(zhe)些獨特的(de)(de)應(ying)用場景為(wei)能(neng)量采(cai)(cai)集(ji)供(gong)電提供(gong)了獨特的(de)(de)價值。盡(jin)管(guan)能(neng)量采(cai)(cai)集(ji)所利用的(de)(de)是“免費能(neng)源(yuan)”，但能(neng)源(yuan)費用并不是促進大(da)多(duo)數應(ying)用的(de)(de)誘因(yin)。之所以(yi)采(cai)(cai)用現(xian)代(dai)化能(neng)量采(cai)(cai)集(ji)是因(yin)為(wei)可以(yi)避免在無法觸及(ji)的(de)(de)區域鋪(pu)設電線，或(huo)者頻繁(fan)更換(huan)電池。一言以(yi)蔽之，能(neng)量采(cai)(cai)集(ji)系統使(shi)用更方便(bian)，能(neng)夠降低眾多(duo)應(ying)用的(de)(de)成本。
能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)是把非常(chang)規能(neng)源用于電(dian)(dian)(dian)路(lu)供電(dian)(dian)(dian)，微(wei)小的(de)能(neng)量(liang)被轉換(huan)成電(dian)(dian)(dian)能(neng)并(bing)儲存在耐用的(de)儲能(neng)單元，例如電(dian)(dian)(dian)容(rong)、超級電(dian)(dian)(dian)容(rong)或微(wei)能(neng)量(liang)電(dian)(dian)(dian)池。能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)系統通常(chang)包括功率管(guan)理、儲能(neng)裝(zhuang)置保護等(deng)電(dian)(dian)(dian)路(lu)，可選擇采(cai)集(ji)的(de)能(neng)源包括光(guang)(guang)(由(you)(you)光(guang)(guang)伏電(dian)(dian)(dian)池捕(bu)獲)、振(zhen)動或壓(ya)力(由(you)(you)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)元件捕(bu)獲)、溫差(由(you)(you)熱(re)電(dian)(dian)(dian)發生器(qi)捕(bu)獲)、無線電(dian)(dian)(dian)能(neng)量(liang)(射頻(pin))，甚至生化產生的(de)能(neng)量(liang)，例如從血糖提取(qu)能(neng)量(liang)的(de)細(xi)胞。
能(neng)量采集方案需要(yao)電(dian)(dian)子(zi)電(dian)(dian)路(lu)的(de)支(zhi)持(chi)。考慮到(dao)以下設計挑戰，如(ru)果系統不具備常規的(de)供(gong)電(dian)(dian)條件(jian)，則(ze)需要(yao)將能(neng)量儲存(cun)在電(dian)(dian)池、超級電(dian)(dian)容或微能(neng)量電(dian)(dian)池中。此外(wai)，由(you)于能(neng)源的(de)多樣(yang)性，系統必(bi)須對其(qi)進行轉換、調節和控制(zhi)。另外(wai)，還需要(yao)適(shi)當的(de)保護電(dian)(dian)路(lu)和儲能(neng)單元，避(bi)免受(shou)過高壓或功(gong)率尖(jian)峰的(de)影響。由(you)于能(neng)源提供(gong)的(de)能(neng)量通常非常微弱，電(dian)(dian)子(zi)設備必(bi)須具有(you)很高的(de)工(gong)作效率。
由能(neng)量采集供(gong)電的(de)遠端設備必(bi)須非常可靠，因為即使進(jin)行一(yi)次現(xian)場維護也(ye)將完(wan)全毀滅(mie)遠端控制的(de)優(you)勢。最(zui)后，遠端系(xi)(xi)統往往工作在惡劣環境，容易受環境/溫度條(tiao)件(jian)波(bo)動的(de)影響。任何能(neng)量采集系(xi)(xi)統必(bi)須能(neng)夠勝任這樣的(de)條(tiao)件(jian)并正常工作。
極低功耗、極低采集啟動門檻的能量采集方案ADP5091/92
該方案用到ADI能量采集解決方案芯片ADP5091/92，這是(shi)一款(kuan)nA級極低(di)(di)自身(shen)功耗的方案，而且(qie)具(ju)有(you)極低(di)(di)的能(neng)(neng)量(liang)采集啟(qi)動門(men)(men)檻(jian)(380mV冷啟(qi)動，80mV~3.3V能(neng)(neng)量(liang)輸入)，此外還具(ju)有(you)最(zui)大(da)功率點(dian)跟蹤、多電源(yuan)控(kong)制(3個(ge)電源(yuan)輸入和(he)2個(ge)電源(yuan)輸出)、價格(ge)合理和(he)設計(ji)簡便的能(neng)(neng)量(liang)采集芯(xin)片(pian)，專門(men)(men)用(yong)(yong)(yong)于(yu)能(neng)(neng)量(liang)采集的電源(yuan)管理芯(xin)片(pian)，可(ke)以用(yong)(yong)(yong)于(yu)多種能(neng)(neng)量(liang)源(yuan)的采集，像太陽(yang)能(neng)(neng)、電磁(ci)能(neng)(neng)(電流互感器)、溫差熱能(neng)(neng)、壓(ya)電、靜(jing)電電荷等。廣泛用(yong)(yong)(yong)于(yu)可(ke)穿戴設備、智(zhi)能(neng)(neng)傳感器、物聯網應用(yong)(yong)(yong)等。
高度集成的(de)解(jie)決方案對(dui)于緊湊型(xing)布局極其有利，可(ke)(ke)減少(shao)設計復雜(za)性(xing)，且業(ye)界領先的(de)超低功(gong)耗性(xing)能(neng)(neng)可(ke)(ke)完整覆蓋從ADC轉換到(dao)處(chu)(chu)理器處(chu)(chu)理和無線通信(xin)的(de)整個系統信(xin)號鏈。ADP5091大大地簡(jian)化了(le)原有的(de)方案，并在能(neng)(neng)量采集效率(lv)、電源管理、成本控制(zhi)上都有了(le)明顯的(de)優(you)化。下圖(tu)是ADP5091/92多種去點場景下的(de)應用功(gong)能(neng)(neng)框圖(tu)。
基于MAX17710能量采集方案
MAX17710能(neng)(neng)量(liang)(liang)采集(ji)充(chong)電(dian)(dian)器和保護器是新一代電(dian)(dian)源管(guan)理IC，用(yong)(yong)于(yu)“采集(ji)”各種(zhong)能(neng)(neng)源產生的(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)。MAX17710提供能(neng)(neng)量(liang)(liang)采集(ji)和電(dian)(dian)源管(guan)理，有效(xiao)保護、管(guan)理儲存(cun)在微能(neng)(neng)量(liang)(liang)電(dian)(dian)池中的(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)。像我們(men)常見的(de)微能(neng)(neng)量(liang)(liang)電(dian)(dian)池，尺寸只有郵票大小(xiao)的(de)超薄電(dian)(dian)池使(shi)用(yong)(yong)非常靈活方便(bian)，而(er)且具(ju)有優(you)異的(de)充(chong)電(dian)(dian)效(xiao)率、重(zhong)復使(shi)用(yong)(yong)壽命和功效(xiao)。并且具(ju)有極低的(de)自放電(dian)(dian)率，能(neng)(neng)夠存(cun)放數十年。實(shi)際上，正是這兩種(zhong)器件的(de)結合使(shi)得能(neng)(neng)量(liang)(liang)采集(ji)變為現實(shi)。
MAX17710集(ji)成升(sheng)壓(ya)(ya)(ya)穩(wen)壓(ya)(ya)(ya)器，能(neng)(neng)夠從(cong)低(di)至800mV的電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)進行(xing)升(sheng)壓(ya)(ya)(ya)充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。只要配合低(di)廉的外部元件，即可對(dui)MEC進行(xing)充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)，并采集(ji)1μW至100mW的能(neng)(neng)量。為(wei)了保護MEC，MAX17710能(neng)(neng)夠處理(li)(li)高(gao)于MEC電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)的輸(shu)(shu)入，對(dui)其進行(xing)穩(wen)壓(ya)(ya)(ya)或分流過(guo)大(da)功(gong)(gong)率。超低(di)靜(jing)態(tai)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流、低(di)壓(ya)(ya)(ya)差線性穩(wen)壓(ya)(ya)(ya)器(LDO)提(ti)供可選的輸(shu)(shu)出(chu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)：3.3V、2.3V或1.8V，防止潛在的MEC過(guo)放電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。這(zhe)也允許MAX17710適(shi)應各種負載，因為(wei)只有外部能(neng)(neng)源將MEC電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)升(sheng)至安(an)全范圍后(hou)，才解除欠壓(ya)(ya)(ya)保護狀態(tai)。另(ling)一(yi)項考(kao)慮是極端(duan)溫度。極低(di)溫度下，任何電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的特(te)性阻抗都(dou)會增大(da)，限制能(neng)(neng)夠提(ti)供的負載電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流。MAX17710集(ji)成了一(yi)項特(te)有功(gong)(gong)能(neng)(neng)，通過(guo)管理(li)(li)外部儲存電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)提(ti)供較高(gao)的脈沖電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流。
