智能物联网爆发趋势下,“无能耗供电”解决传感器部署难题
作者 | 物联网智库2022-01-26

物联网具有提高效率、提高安全性以及实现全新的商业模式的潜力,几乎适用于生活或行业的任何方面,随着AI技术和传感器技术的进步,智能物联网正迎来爆发的态势。例如,为了可靠和高效地运行一个工业工厂,它有助于拥有尽可能多的监测(或控制)点,更多的传感器意味着更好的监控。

然而,正是因为物联网无处不在的特性,也给工程师部署带来诸多难题,其中电源供电这项看起来非常简单的任务,有时候装置既不能获得直接电源,拉线或更换电池也不切实际。即使使用长寿命电池,最终也需要更换电池,进行现场维护。供电问题如何有效解决,成为难题。

近年来,随着超低功耗电源管理技术以及能量采集传感技术的进步,能量采集这种“无能耗供电”模式开始成为重要选项。能量采集(或称为功率采集或能量提取)允许电子装置在无法获得常规电源的场合正常工作,无需拉线或更换电池,这正在成为赋能物联网的关键技术。

智能物联网爆发趋势下,“无能耗供电”解决传感器部署难题

无处不在的“无能耗供电”能量采集场景

在大量的物联网应用对能源的需求其实非常低,一节纽扣电池甚至就可以工作几个月甚至几年,然而这种非可持续供电的能源终究会带来很多问题,除了废旧电池带来的环境危害,在很多应用场景来说更换电池可能面临昂贵的维护成本:例如森林防火监测、桥梁监测、化工厂的罐体监测,甚至像高压电力线这样一个电能输送通道中我们一样需要讨论设备供电问题。

这些独特的应用场景为能量采集供电提供了独特的价值。尽管能量采集所利用的是“免费能源”,但能源费用并不是促进大多数应用的诱因。之所以采用现代化能量采集是因为可以避免在无法触及的区域铺设电线,或者频繁更换电池。一言以蔽之,能量采集系统使用更方便,能够降低众多应用的成本。

能量采集是把非常规能源用于电路供电,微小的能量被转换成电能并储存在耐用的储能单元,例如电容、超级电容或微能量电池。能量采集系统通常包括功率管理、储能装置保护等电路,可选择采集的能源包括光(由光伏电池捕获)、振动或压力(由压电元件捕获)、温差(由热电发生器捕获)、无线电能量(射频),甚至生化产生的能量,例如从血糖提取能量的细胞。

能量采集

能量采集方案需要电子电路的支持。考虑到以下设计挑战,如果系统不具备常规的供电条件,则需要将能量储存在电池、超级电容或微能量电池中。此外,由于能源的多样性,系统必须对其进行转换、调节和控制。另外,还需要适当的保护电路和储能单元,避免受过高压或功率尖峰的影响。由于能源提供的能量通常非常微弱,电子设备必须具有很高的工作效率。

由能量采集供电的远端设备必须非常可靠,因为即使进行一次现场维护也将完全毁灭远端控制的优势。最后,远端系统往往工作在恶劣环境,容易受环境/温度条件波动的影响。任何能量采集系统必须能够胜任这样的条件并正常工作。

极低功耗、极低采集启动门槛的能量采集方案ADP5091/92

该方案用到ADI能量采集解决方案芯片ADP5091/92,这是一款nA级极低自身功耗的方案,而且具有极低的能量采集启动门槛(380mV冷启动,80mV~3.3V能量输入),此外还具有最大功率点跟踪、多电源控制(3个电源输入和2个电源输出)、价格合理和设计简便的能量采集芯片,专门用于能量采集的电源管理芯片,可以用于多种能量源的采集,像太阳能、电磁能(电流互感器)、温差热能、压电、静电电荷等。广泛用于可穿戴设备、智能传感器、物联网应用等。

高度集成的解决方案对于紧凑型布局极其有利,可减少设计复杂性,且业界领先的超低功耗性能可完整覆盖从ADC转换到处理器处理和无线通信的整个系统信号链。ADP5091大大地简化了原有的方案,并在能量采集效率、电源管理、成本控制上都有了明显的优化。下图是ADP5091/92多种去点场景下的应用功能框图。

ADP5091/92多种去点场景下的应用功能框图

基于MAX17710能量采集方案

MAX17710能量采集充电器和保护器是新一代电源管理IC,用于“采集”各种能源产生的能量。MAX17710提供能量采集和电源管理,有效保护、管理储存在微能量电池中的能量。像我们常见的微能量电池,尺寸只有邮票大小的超薄电池使用非常灵活方便,而且具有优异的充电效率、重复使用寿命和功效。并且具有极低的自放电率,能够存放数十年。实际上,正是这两种器件的结合使得能量采集变为现实。

MAX17710集成升压稳压器

MAX17710集成升压稳压器,能够从低至800mV的电压进行升压充电。只要配合低廉的外部元件,即可对MEC进行充电,并采集1µW至100mW的能量。为了保护MEC,MAX17710能够处理高于MEC电压的输入,对其进行稳压或分流过大功率。超低静态电流、低压差线性稳压器(LDO)提供可选的输出电压:3.3V、2.3V或1.8V,防止潜在的MEC过放电。这也允许MAX17710适应各种负载,因为只有外部能源将MEC电压升至安全范围后,才解除欠压保护状态。另一项考虑是极端温度。极低温度下,任何电池的特性阻抗都会增大,限制能够提供的负载电流。MAX17710集成了一项特有功能,通过管理外部储存电容提供较高的脉冲电流。


热门文章
近日,上海全自动驾驶地铁15号线发生严重事故,在祁安路站站台上,一名乘客下车时,被正在关闭的屏蔽门夹住,车辆突然启动,致乘客被带倒挤压,被救出后送医抢救无效身亡。这不禁令人对自动驾驶地铁的安全性产生怀
2022-01-26