物聯網具(ju)有(you)(you)提高效率、提高安(an)全性以及實現全新的(de)商業(ye)模式的(de)潛力，幾乎適用于生活或行(xing)業(ye)的(de)任何方面，隨著AI技(ji)術和傳感器技(ji)術的(de)進步，智(zhi)能物聯網正迎來爆發的(de)態勢。例(li)如(ru)，為了(le)可靠和高效地運(yun)行(xing)一個工業(ye)工廠，它有(you)(you)助于擁(yong)有(you)(you)盡可能多(duo)的(de)監測(或控制(zhi))點，更多(duo)的(de)傳感器意味(wei)著更好的(de)監控。
然而(er)，正是因為物聯網無處不(bu)在(zai)的特性，也給工程師(shi)部署(shu)帶來諸多難題(ti)(ti)，其中電(dian)源供電(dian)這項(xiang)看起來非(fei)常(chang)簡單的任(ren)務(wu)，有時(shi)候裝置既不(bu)能獲得直接電(dian)源，拉線或更(geng)換(huan)電(dian)池(chi)(chi)也不(bu)切(qie)實際。即使(shi)使(shi)用長壽命(ming)電(dian)池(chi)(chi)，最(zui)終也需要更(geng)換(huan)電(dian)池(chi)(chi)，進行(xing)現場維護(hu)。供電(dian)問題(ti)(ti)如(ru)何有效解決，成為難題(ti)(ti)。
近年來，隨著(zhu)超低功耗電(dian)源管理技(ji)術(shu)以及能(neng)量采集傳感技(ji)術(shu)的進步，能(neng)量采集這(zhe)(zhe)種“無能(neng)耗供(gong)電(dian)”模式開(kai)始成(cheng)(cheng)為(wei)重要選(xuan)項(xiang)。能(neng)量采集(或(huo)稱為(wei)功率采集或(huo)能(neng)量提(ti)取)允(yun)許電(dian)子裝置(zhi)在無法獲得常規電(dian)源的場合正常工作，無需(xu)拉(la)線(xian)或(huo)更換(huan)電(dian)池，這(zhe)(zhe)正在成(cheng)(cheng)為(wei)賦(fu)能(neng)物聯網的關(guan)鍵技(ji)術(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)(de)需(xu)求其(qi)實非常(chang)低，一(yi)節紐(niu)扣(kou)電(dian)池(chi)甚(shen)至就可以工(gong)(gong)作幾個(ge)月甚(shen)至幾年(nian)，然而這(zhe)種非可持續供電(dian)的(de)(de)能源(yuan)終究會帶(dai)(dai)來(lai)很多(duo)問(wen)題，除了廢舊電(dian)池(chi)帶(dai)(dai)來(lai)的(de)(de)環境危害，在很多(duo)應用場景來(lai)說更(geng)換電(dian)池(chi)可能面臨昂貴(gui)的(de)(de)維護成本：例如森林防火監測(ce)、橋梁監測(ce)、化工(gong)(gong)廠(chang)的(de)(de)罐(guan)體監測(ce)，甚(shen)至像高壓電(dian)力(li)線這(zhe)樣一(yi)個(ge)電(dian)能輸送通道中我們(men)一(yi)樣需(xu)要討論(lun)設備供電(dian)問(wen)題。
這些(xie)獨(du)特的(de)(de)應(ying)用場景為能(neng)量(liang)(liang)采(cai)集(ji)(ji)供(gong)電提供(gong)了(le)獨(du)特的(de)(de)價值。盡管能(neng)量(liang)(liang)采(cai)集(ji)(ji)所利用的(de)(de)是(shi)“免費能(neng)源”，但能(neng)源費用并(bing)不是(shi)促進大多(duo)數應(ying)用的(de)(de)誘因(yin)。之所以采(cai)用現代化能(neng)量(liang)(liang)采(cai)集(ji)(ji)是(shi)因(yin)為可以避免在無法觸及的(de)(de)區域鋪設電線(xian)，或者頻繁更換電池(chi)。一言以蔽之，能(neng)量(liang)(liang)采(cai)集(ji)(ji)系統(tong)使用更方便，能(neng)夠降低眾多(duo)應(ying)用的(de)(de)成本。
能(neng)(neng)(neng)量(liang)采(cai)集是把非常規能(neng)(neng)(neng)源用于電(dian)(dian)(dian)路供(gong)電(dian)(dian)(dian)，微小的(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)被轉換(huan)成電(dian)(dian)(dian)能(neng)(neng)(neng)并儲(chu)存在耐用的(de)儲(chu)能(neng)(neng)(neng)單元(yuan)(yuan)，例如電(dian)(dian)(dian)容、超(chao)級電(dian)(dian)(dian)容或微能(neng)(neng)(neng)量(liang)電(dian)(dian)(dian)池。能(neng)(neng)(neng)量(liang)采(cai)集系統通常包(bao)括功率管理(li)、儲(chu)能(neng)(neng)(neng)裝置保(bao)護等電(dian)(dian)(dian)路，可選(xuan)擇采(cai)集的(de)能(neng)(neng)(neng)源包(bao)括光(由(you)光伏電(dian)(dian)(dian)池捕(bu)(bu)(bu)獲)、振動或壓(ya)力(由(you)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)元(yuan)(yuan)件捕(bu)(bu)(bu)獲)、溫差(cha)(由(you)熱電(dian)(dian)(dian)發生器(qi)捕(bu)(bu)(bu)獲)、無(wu)線電(dian)(dian)(dian)能(neng)(neng)(neng)量(liang)(射(she)頻(pin))，甚至生化產(chan)生的(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)，例如從血糖提(ti)取能(neng)(neng)(neng)量(liang)的(de)細(xi)胞(bao)。
能(neng)(neng)量(liang)采集方案(an)需要(yao)電(dian)子電(dian)路的(de)支(zhi)持。考慮到以下設計挑戰，如果系統不具備常(chang)(chang)規的(de)供電(dian)條件(jian)，則需要(yao)將(jiang)能(neng)(neng)量(liang)儲(chu)存在電(dian)池(chi)、超(chao)級(ji)電(dian)容或(huo)微能(neng)(neng)量(liang)電(dian)池(chi)中。此外，由(you)(you)于能(neng)(neng)源的(de)多樣(yang)性(xing)，系統必(bi)須對其進行轉換、調節(jie)和控制。另(ling)外，還(huan)需要(yao)適當的(de)保護電(dian)路和儲(chu)能(neng)(neng)單元，避免受(shou)過高壓或(huo)功率(lv)尖(jian)峰的(de)影響。由(you)(you)于能(neng)(neng)源提供的(de)能(neng)(neng)量(liang)通常(chang)(chang)非常(chang)(chang)微弱(ruo)，電(dian)子設備必(bi)須具有很高的(de)工作(zuo)效率(lv)。
由能量采(cai)(cai)集(ji)供電的遠(yuan)(yuan)端設備必須(xu)非常可靠，因為即(ji)使進行一次現場維護也將完全毀滅遠(yuan)(yuan)端控制的優勢。最后，遠(yuan)(yuan)端系(xi)統(tong)往往工作在(zai)惡劣環境(jing)，容易受環境(jing)/溫度條(tiao)(tiao)件(jian)波動的影響。任何能量采(cai)(cai)集(ji)系(xi)統(tong)必須(xu)能夠(gou)勝任這樣的條(tiao)(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(zhe)是(shi)一(yi)款nA級(ji)極低(di)(di)自身(shen)功耗(hao)的方案，而且具有極低(di)(di)的能(neng)量采集(ji)啟(qi)動門檻(380mV冷啟(qi)動，80mV~3.3V能(neng)量輸(shu)入)，此外還(huan)具有最大功率點跟蹤、多電源(yuan)控制(3個電源(yuan)輸(shu)入和2個電源(yuan)輸(shu)出)、價格合(he)理(li)(li)和設計簡便的能(neng)量采集(ji)芯片，專門用(yong)于(yu)(yu)能(neng)量采集(ji)的電源(yuan)管理(li)(li)芯片，可(ke)以用(yong)于(yu)(yu)多種能(neng)量源(yuan)的采集(ji)，像太陽能(neng)、電磁能(neng)(電流互感(gan)器)、溫(wen)差熱能(neng)、壓電、靜(jing)電電荷等。廣泛(fan)用(yong)于(yu)(yu)可(ke)穿戴(dai)設備(bei)、智能(neng)傳感(gan)器、物聯網應用(yong)等。
高度集成的(de)解(jie)決方(fang)案(an)對于緊湊(cou)型(xing)布(bu)局極其(qi)有利(li)，可減少設計復雜(za)性，且(qie)業界領先的(de)超低(di)功耗性能(neng)可完整(zheng)(zheng)覆蓋(gai)從ADC轉換到處理(li)器處理(li)和無(wu)線通信的(de)整(zheng)(zheng)個系(xi)統信號鏈。ADP5091大(da)大(da)地(di)簡化了原有的(de)方(fang)案(an)，并在能(neng)量采集效率、電(dian)源管理(li)、成本控制上都有了明(ming)顯的(de)優(you)化。下(xia)圖是ADP5091/92多(duo)種去點(dian)場景下(xia)的(de)應用功能(neng)框圖。
基于MAX17710能量采集方案
MAX17710能(neng)量(liang)采集(ji)充(chong)電(dian)(dian)器和保護(hu)器是新一代電(dian)(dian)源管理IC，用(yong)于(yu)“采集(ji)”各種能(neng)源產生(sheng)的(de)(de)(de)能(neng)量(liang)。MAX17710提供能(neng)量(liang)采集(ji)和電(dian)(dian)源管理，有效保護(hu)、管理儲(chu)存在微能(neng)量(liang)電(dian)(dian)池中(zhong)的(de)(de)(de)能(neng)量(liang)。像我(wo)們常(chang)見的(de)(de)(de)微能(neng)量(liang)電(dian)(dian)池，尺寸(cun)只有郵票大小的(de)(de)(de)超薄(bo)電(dian)(dian)池使(shi)(shi)用(yong)非常(chang)靈(ling)活(huo)方便，而且(qie)具有優異的(de)(de)(de)充(chong)電(dian)(dian)效率、重復使(shi)(shi)用(yong)壽命(ming)和功效。并且(qie)具有極低的(de)(de)(de)自(zi)放(fang)電(dian)(dian)率，能(neng)夠存放(fang)數(shu)十年(nian)。實際上(shang)，正是這兩種器件的(de)(de)(de)結(jie)合使(shi)(shi)得能(neng)量(liang)采集(ji)變為現實。
MAX17710集(ji)(ji)成(cheng)升壓(ya)(ya)穩(wen)壓(ya)(ya)器(qi)(qi)，能(neng)夠(gou)從低(di)至(zhi)800mV的(de)(de)(de)電(dian)壓(ya)(ya)進(jin)行(xing)升壓(ya)(ya)充(chong)電(dian)。只要配合低(di)廉的(de)(de)(de)外(wai)部元件(jian)，即可對MEC進(jin)行(xing)充(chong)電(dian)，并采(cai)集(ji)(ji)1μW至(zhi)100mW的(de)(de)(de)能(neng)量。為了保(bao)護MEC，MAX17710能(neng)夠(gou)處理(li)高(gao)于MEC電(dian)壓(ya)(ya)的(de)(de)(de)輸入，對其進(jin)行(xing)穩(wen)壓(ya)(ya)或(huo)(huo)分流(liu)(liu)過大功率。超低(di)靜態電(dian)流(liu)(liu)、低(di)壓(ya)(ya)差線性(xing)穩(wen)壓(ya)(ya)器(qi)(qi)(LDO)提供(gong)可選的(de)(de)(de)輸出電(dian)壓(ya)(ya)：3.3V、2.3V或(huo)(huo)1.8V，防止潛在的(de)(de)(de)MEC過放電(dian)。這也允許MAX17710適應各種負載，因為只有(you)外(wai)部能(neng)源將MEC電(dian)壓(ya)(ya)升至(zhi)安全范圍后(hou)，才解除欠壓(ya)(ya)保(bao)護狀態。另(ling)一項考(kao)慮是極(ji)端溫度。極(ji)低(di)溫度下，任(ren)何電(dian)池(chi)的(de)(de)(de)特性(xing)阻抗(kang)都會(hui)增(zeng)大，限制能(neng)夠(gou)提供(gong)的(de)(de)(de)負載電(dian)流(liu)(liu)。MAX17710集(ji)(ji)成(cheng)了一項特有(you)功能(neng)，通過管理(li)外(wai)部儲存電(dian)容提供(gong)較高(gao)的(de)(de)(de)脈沖電(dian)流(liu)(liu)。
