无源物联网走入风口,能量收集能取代传统电池吗?
作者 | Semiconductor Engineering2022-04-21

现阶段,数以百亿计的物联网设备仍由电池供电。根据计算强度和电池化学性质,这些设备仅能够稳定运行很短一段时间,个别设备偶尔能够运行数十年。但在某些情况下,这些设备也可以自己收集能量,或者利用外部收集的能量,使它们几乎可以无限期地工作。

多年来,为半导体供电的能量收集技术一直处于设计阶段,但时至如今,该技术只能实现有限能量的吸收和采集。太阳能、水力发电和地热能被大规模使用,而光、热、风、振动和无线电波在更小设备中的使用有限。

能量来源包括光、电磁、热能、动能等

图1:能量来源包括光、电磁、热能、动能等(图源:机器状态监测中实现自供电无线传感器网络的能量收集技术:综述)

在物联网领域中,能量收集有望减少或消除对电池的需求。这对于难以更换电池的设备(例如牲畜传感器、智能楼宇和远程监控)以及可穿戴电子设备和物流跟踪等应用特别有吸引力。但到目前为止,这项技术尚未能普及开来。

一定程度上,这是由于输入源和能量水平小且通常不可靠。此外,将能量从环境中转换成电力需求高效率的设计方法,这可能使这些方法成本过高。如果操作需要源源不断的电力,那么能量存储将会是另一个值得考虑的方案。

将使用纽扣电池的智能物联网传感器设计与使用能量收集的传感器设计进行比较,可以看出纽扣电池的设计要简单得多。但是,虽然使用纽扣电池的设计不需要额外的能量收集电路,但它需要在某个时候更换电池。

根据理论计算,大多数物联网规格预测电池寿命将持续数年到20年以上。然而,这些预估通常不会考虑电池泄漏和排水。与工业级物联网电池相比,消费类纽扣电池的质量和可靠性要低得多。这就解释了为什么工业级电池的成本要高出一个数量级,同时还显示出能量收集的吸引力,这可以缩减对电池的需求,或在设备的使用寿命内自动为电池充电。

“能量收集技术正在不断发展,”西门子数字工业软件公司产品工程总监John Stabenow称。“随着对物联网需求不断增加,为无电池物联网解决方案的使用提供了强劲的驱动力。优势是显而易见的,无需每隔几年更换数千块电池,节省的成本很可观。智能化、小型化、超低功耗逐渐成为物联网传感器发展的主流方向。通过使用系统设计建模和仿真,可以为智能传感器的开发提供最佳功率预算和电路设计。因此,可以对能量收集技术进行微调,以满足特定的功率要求。”

理想的用例是为具有超低功耗的设备提供高效能量收集的组合,以实现可持续的运行。为了正确看待问题,以下是各种来源的可用能量和各种设备的估计能量需求的一些示例:

无源物联网走入风口,能量收集能取代传统电池吗?

无源物联网走入风口,能量收集能取代传统电池吗?

提高能量转换效率

太阳能是主流的能源,但使用太阳能电池板将太阳能转换为电能的效率很低,这就是为什么太阳能电池板如此之大。太阳光使用光伏(PV)半导体材料转换为电能。多个光伏电池连接在一起形成一个模块或面板。通过使用最大功率点(MPPT)技术,在转换光伏模块功率时可实现最高效率。

在电池充电情况下,MPPT 算法会比较PV输出和电池电压,然后设置最佳充电电压。MPPT算法在寒冷天气或电池快要放完电时执行最有效。

“对于能量收集而言,太阳能是可再生能源之一,”英飞凌科技首席应用工程师Kasra Khazraei表示。“太阳能系统由两个主要组件组成,太阳能电池板和电力电子电路。大多数太阳能电池板的效率都在20%以下,平均在17%至18%左右。针对有效提升效率问题,太阳能电池物理学的突破是必要的。这就是为什么很多努力都集中在提高电力电子电路的效率上,以提高太阳能系统的整体能量输出。”

例如,ADI公司开发了一种微型封装(1.63mm x 1.23mm),用于从单个太阳能电池收集能量。使用这种方法,该公司声称已经达到了85%至90%的效率水平,使太阳能电池板收集的几乎所有能量都能得到充分利用。

“针对超低功耗应用,例如车载探测器、牲畜跟踪、智能农场、智慧城市和可穿戴消费设备等,其能量收集器的高效设计对低功耗有着极高的要求(在μW范围内),且在使用PV电池时冷启动电压低于500mV,使用热电发生器(TEG)时低于100mV。整体来说,MPPT嵌入式算法是有帮助的,因为它可以最大限度地从两个来源中提取能量,”意法半导体技术营销组经理Alessandro Nicosia认为。“此外,需要一个强大的PCB设计来保护系统免受噪声和环境干扰,这些干扰可能导致电池过充电和过放电阈值的错误触发,以及未经保护的内部电路待机相位和电池/负载供电连续性。”

RF能量收集设计人员也在寻求高效转换能量的方法。这种方法广泛适用于无电池消费类产品和电子设备无线充电等应用。一个潜在的射频能量突破性用例是Powercast提供的零售电子货架标签(ESL)应用程序。

传统上,工人在杂货店或百货商店改变价格标签。但价格经常变化,特别是商品促销时,这可能使价格标签频繁改动。已经有许多尝试来降低劳动强度,包括使用无线价格标签。无线价格标签方法的一个缺点是,每个标签都需要有一个由电池供电的无线接收器,并且这些电池需要每隔几年更换一次。Powercast的想法是使用无线RFID价格标签。最近,一家大型百货连锁店开始部署机器人来跟踪商店内的库存。这些机器人可以被编程为使用RF信号扫描无电池RFID价格标签,以便更新价格。RFID标签上显示的新价格将保持不变,直到下次扫描。RFID价格标签中使用的Powercast RF-to-DC转换器芯片尺寸为1 x 0.6 x 0.3mm,支持10MHz至6GHz的频率,转换效率为75%。

射频能量收集功能包括射频到直流转换和电压监控

图2:射频能量收集功能包括射频到直流转换和电压监控(图源:Powercast)

“射频能量源的强度各不相同。因此,用于将RF能量转换为直流的芯片要求高效,优选在70%至80%的范围内。天线设计对于最大化能量收集也很重要,”Powercast首席技术官Charles Greene评论道,“此外,根据应用的不同,设备与能源(如Wi-Fi路由器)的距离也很重要,因为能量功率与其距离成反比。例如,无线游戏控制器的功率更强,需要保持在距离电源一英尺的范围内。键盘的耗电量较小,并且可以保持在距离其源头六英尺的范围内。物联网传感器将在10英尺内正常运行。”

降低系统功耗

虽然能量收集很重要,但它不会降低低功耗设计的价值,尤其是在边缘应用中。“这始终是关于以最低功耗实现计算能力最大化,”瑞萨电子美国公司执行副总裁Saileesh Chittipeddi表示。“新系统中的功率效率和功耗概念对人们来说变得越来越重要。这推动了策略转变,特别是在工业领域。”

能量收集补充了这种转变,简单的解决方案通常比复杂的解决方案更具优势。例如,16位MCU的功耗低于32位MCU。同样,4位MCU比8位MCU功耗更低。合理调整设计大小意味着首先要产生的能量更少。

最近,越来越多的芯片制造商在开发nW范围内工作的超低功耗MCU。一些超低功耗MCU可以在1.8V下工作,在运行模式下每兆赫兹仅消耗150μA电流,而休眠模式仅消耗10nA电流。如果需要保留存储器内容,则休眠模式电流将在2μS唤醒时间内增加到50nA。这种趋势对能量收集的发展非常鼓舞人心。

“直到最近,能量收集系统设计人员通常会简单地表征其系统的功率和能量需求,然后选择足够大的能量收集器和存储器来可靠地提供此功能,”Arm工程师James Myers指出,“这很有效,但这意味着这些系统通常可能很大而且很昂贵。如今的方案逐渐将问题的焦点转向应用规模或成本约束,这流入了功率和能源预算,系统需要为此进行设计。幸运的是,我们现在有大量的低功耗组件可供使用,如果都不合适,还可以构建一个自定义SoC,该SoC可以按照需求进行集成。超低功耗处理器对这个领域特别有用,因为它们允许与无线电、执行器和非易失性内存使用等能源密集型活动进行智能权衡。它们甚至可以适应无存储收集系统中的间歇性电源可用性。”

开放的无线电标准

国际电工委员会(IEC)发布了一系列标准,以解决与振动、热和电磁能源相关用于能量收集和生成的半导体器件。该标准还涉及测试和评估方法,柔性热电器件的测试方法以及线性滑动模式摩擦电能量收集。

另外,EnOcean联盟是一个拥有500名成员的非营利组织,支持ISO/IEC 14543-3-10(称为ASK并在欧洲使用)或14543-3-11(称为FSK,在北美和日本使用)。它是一种开放协调的无线电标准,用于描述无线电参数(OSI中的物理层1)。此标准针对自供电无线设备进行了优化。

EnOcean联盟独立于EnOcean公司存在。该联盟的七个发起人包括BSC Computer GmbH、Eltako、EnOcean GmbH、NIFCO Inc.、IBM、Microsoft和T-Systems Multimedia Solutions。这个全球网络的成员创建了一个可互操作的免维护标准,其中包含用于智能家居,智能建筑和智能空间应用的认证计划。

能量收集技术持续创新

能量收集发展势头正持续提升。包括ADI、Atmosic、EnOcean、Metis Microsystems、ONiO、Powercast、瑞萨电子、意法半导体和德州仪器在内的公司提供越来越多的硅产品。通过AI技术,产品将更小巧、更轻便、更智能,甚至功耗更低。能量收集技术正在不断创新中成熟落地,未来的可能性只会受到想象力的限制。

“近年来,我们看到很多为提高电力电子系统效率对宽带隙开关开发的投资,”英飞凌的Khazraei表示。“正如我们将在未来5到10年内看到的那样,采用由氮化镓和碳化硅制成的高度先进的宽带隙开关将彻底改变可再生能源系统。这些开关可实现非常高的频率功率密度和高效设计。电路尺寸显著减小将降低安装和维护太阳能系统的成本。”

最近,华盛顿大学在一段视频中展示了一个轻巧、低功耗、蒲公英状传感器漂浮在空气中,对温度和湿度进行采样。根据该校助理教授Vikram Lyer的说法,这种微型设备的能耗从几微瓦到超过10微瓦不等,具体取决于采样率。它从太阳收集能量,速度为每秒0.87米,对于30mg的设备(传感器重1mg),可以在微风中传播50至100米,安全直立着陆的概率约为95%。该设备可能用于监测干燥天气地区的森林火灾。该校正在推进更进一步的研究,以扩大传感器的控制和应用。

欧洲研究委员会(ERC)向德国开姆尼茨理工大学提供了150万欧元的研究经费,用于开发世界上最小的电池:智能尘埃电池。基于过去的电池研究,该团队设定了一个目标,即开发一种能够为每平方厘米提供100微瓦能量的电池,用于超小型计算机和电子应用。当这成为现实时,它可以嵌入到未来的物联网设备中,这些设备依赖于能量收集进行充电。

“能量收集技术将继续发展,”EnOcean总裁兼联合创始人Oliver Sczesny表示,“传统公司以及初创公司将带来新的想法和创新。例如,太阳能和热能收集对轻薄、灵活且可打印的能量收集器箔进行了大量研究。特别是针对太阳能收集,该器件原型已经上市并开始大规模生产。这些类型的收集器从为小型传感器供电到更大规模的能量收集,提供了更为广泛的可能性。”

正在开发的其他技术概念,例如无线无电池身体传感器网络,使用近场服装来监测穿着者的生理状况,以及用于测量患者伤害脆弱点的无线软传感器。业界逐渐开始尝试新的方法,例如从电路的瞬态能量中收集,预计研究机构、创新高科技公司和初创公司将继续提出能量收集的新想法。

“计算系统用1和0表示信息,其中二进制数据的信息通常以电荷的形式存在于CMOS芯片中,”Metis Microsystems的创始人兼首席执行官Azeez Bhavnagarwala表示。“‘1’在电路节点上表示方法是,将电荷从芯片的电网移动到节点,将其电势提高到芯片的电源电压。电路节点上的‘0’通过排出其上持有的电荷来表示,将其电势降低到芯片的参考地电位。在这两种情况下,这些保存数据的电路节点都可以作为静电能量的来源或接收器,相当于电路节点上的‘硅电池’。这种硅电池可以作为芯片内的能量资源,提供存储器和算术组件所需的一些功率。”

这是一个重要的转变。“用于基于CMO的静态存储器的电路IP(6T SRAM、8T寄存器文件、CAM和数字CIM阵列),已被开发用于收集瞬态片上数据,从而将CMOS组件的能量延迟提高一个数量级。”Bhavnagarwala认为。“这种改进可以在不改变工作电压或CMOS工艺的情况下进行。收集片上瞬态数据也会对其他设计指标产生有利影响,例如在存在显著MOS器件变化的情况下信号开发的不确定性。与从环境源收集能量的传统技术不同,数据收集方法和电路不必仅限于低功率密度应用,如跟踪器或传感器网络。从边缘的能源匮乏设备到数据中心的加速器和网络硬件,这些器件可以为广泛的处理器提供动力。


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