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能源采集关键还是在电源设计
物联网撑腰 发展远景看好

【作者: 姚嘉洋】2014年12月12日 星期五

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能源采集并不是现阶段产业界最热门的话题,

但毕竟物联网终端节点还是需要有长时间的电力供应,

能源采集就成了重要的电力来源之一,未来的发展会如何?

值得大家期待。


如果用较广的角度来看待能源采集这个议题,基本上只要涉及「能源转换」的过程,应该都能被归类在能源采集的范畴中,换言之,我们过去时常所谈的再生能源亦可属于能源采集的一环。


普遍来看,扣除再生能源与无线充电这两大领域,其他的能源采集技术并没有太多的讨论。当然,我们也曾经看过利用踢足球的动能转换为电能,再利用电能进行LED照明等实际应用案例,尽管这类应用在能源采集的议题中已有不少的讨论,但就市场产值而言,所占的比重还是相当有限。


Gartner研究总监Steve Ohr就表示,即便能源采集技术如雨后春笋般的出现,但就发展状况并没有如想像中的快速,反倒是相当缓慢。无论是太阳能、热梯度(thermal gradient)或震动能量采集(vibration harvesting),就目前的技术水准来看,仍会停留在仅仅用到大型撷取机械,却只能收集少量能源的现况。我们预期能源转换效率将会提升,但主流采集机械(太阳能、风力、震动能量、热梯度等)的结构并不会随之缩小。


至于能源采集技术是否能够带动半导体领域的成长,Steve Ohr也是抱持相对保守的看法,他进一步指出,大部分能源采集器属于「电子」范畴,但并非半导体。不过,有些能源震动能源采集器(压电,piezo-electric)能降低电脑电源供应器的负载需求。有家名为Microgen的公司(位于纽约州罗彻斯特)正研发如何从马达与机械设备采集震动能量,希望借此缩小用来发动马达与机械设备之电源供应器的体积。


Steve Ohr认为,能源采集对系统业者较为有利,但技术本身并不会增加半导体营收。无线感测器节点数量增加才会带动半导体营收。但相关成长与能源采集没有关系。



图一: Gartner认为,能源采集并不会为半导体业者带来营收,仅有无线感测系统能带来实质的营收效益。 (Source:www.rfranging.com)
图一: Gartner认为,能源采集并不会为半导体业者带来营收,仅有无线感测系统能带来实质的营收效益。 (Source:www.rfranging.com)

投入的半导体业者 相对有限

不过,若简单探究能源采集的半导体解决方案,扣除太阳能、风力发电等大电力发电以及近期相当热门的无线充电技术不谈,台面上能够提供能源采集的半导体业者并不算太多。


综观能源采集相关的半导体元件供应商,比较知名的是德州仪器(TI)与凌力尔特(Linear)两家半导体业者。德仪专攻电源管理与MCU(微控制器),凌力尔特就聚焦于电源设计方案为主,除此之外,像是能源采集元件或是记忆体等,也有半导体业者提供对应产品,像是意法半导体(ST)或是奥地利微电子等,前者提供以EEPROM为基础的双介面记忆体,后者则是提供环境光感测器。


所以大致上来看,投入的半导体业者并不是相当的多,这个现象多少也呼应了Steve Ohr的看法。


目前能源采集的设计关键仍是在电源设计上,

很明显的,过去在太阳能领域十分重要的MPPT,

在能源采集上扮演关键角色。

当然,也别忽略了硬体电路的重要性。

能源采集关键还是在电源设计

不过,我们都很清楚,就能源采集系统的设计而言,其中的电源设计本身就是相当重要的课题,所以像是德州仪器与凌力尔特在该领域有不小的著墨,当然,像是亚德诺半导体(ADI)或是富士通半导体多少也有对应的解决方案。细数目前现有的半导体业者,大多也是聚焦电源设计上。


谈到这个领域,凌力尔特电源管理部总监Tony Armstrong透露,在我们的生活周遭,存在着许多的环境能源,过去能源采集的传统方法是借助太阳能板和风力发电机,不过,新的采集工具让我们能运用各式环境能源来产生电能。而且,重要之处不只在于采集工具的能量转换效率,也要重视可为其供电的「平均采集」能量值。


其中热电产生器可将热量转换为电力、压电元件可转换机械振动能量、光伏元件用于转换阳光(或任何光子源)能量,流电元件则可从湿气实现能量转换。这些转换来的电力能够对远端感测器或电能记忆体(例如:电容器或薄膜电池) 进行充电,或是为远端微处理器及发送器实施供电,而无需为配电或更换电池而伤脑筋。这也为相关半导体业者的能源采集解决方带来了新的机会。一般而言,能源采集应用所采用的晶片必须具备以下性能与特征:


*低待机静态电流─ 通常小于 6 μA,并可低至 450nA


*低启动电压─ 低至 20 mV


*高输入电压能力─ 高达 34V (连续) 和 40V (暂态)


*能够处理 AC 输入


*多输出能力和自主型系统电源管理


*自动极性操作


*针对太阳能输入的最大功率点控制 (MPPC)


*能够从低至摄氏1度的温差采集能量


*接脚占精小且外部元件极少的解决方案



图二: 许多物联网终端大多会搭载钮扣电池让系统运作,电池的充电与否,端看实际环境的需求,相对的也会影响电源设计的作法。 (Source:2.bp.blogspot.com)
图二: 许多物联网终端大多会搭载钮扣电池让系统运作,电池的充电与否,端看实际环境的需求,相对的也会影响电源设计的作法。 (Source:2.bp.blogspot.com)

Tony Armstrong进一步谈到,传统上,各种不同类型的感测器靠导线连接到电源。然而,如今面对的问题不再是围绕场地设施布设电缆的挑战和费用,因为现在可以安装可靠、工业级强度的无线感测器,这些感测器可以靠一块小型电池、甚至可以依靠光、振动或温度变化中采集的能量来运作多年的时间。


另外,也可以透过可充电电池与多种环境能源的组合搭配来为系统供电。同时,由于内在的安全问题,有些充电电池不能以有线方式充电,而需要透过无线充电的​​方式来充电。


先进的能源采集技术可在一般工作条件下产生mW量级的功率。这么低的功率似乎用起来很受限,但是若干年来采集元件的工作表现可以说明一件事:无论就能量供应,还是就所提供的每单位能量的成本而言,这些技术与高电力容量的主电池类似。不过,采用能源采集的系统一般能在电能耗尽前持续充电,这一点是主电池供电系统做不到的。


大多数解决方案会将环境能源作为主电源,将电池作为备用电源,如果环境能源消失或中断提供,就可以将电池转接进来。这种电池可以是,也可以不是可充电型电池,是否用可充电电池,通常由最终应用本身决定。


所以,设计原则是,如果最终部署环境易于进入,方便一次性电池的更换,维护人员就可选择较经济实惠的一次性电池方案。如果更换电池耗时费力、成本高昂(如森林火灾感测系统),那么采用充电电池就更具有经济意义。


即使选择了充电电池,为电池充电的最佳方法仍然需要探讨。以下一些因素会影响设计考量:


 是否存在有线电源来为电池充电;


 环境能源是否提供充足的功率,足够同时为无线感测器网路 (WSN) 供电以及为电池充电;


 是否由于内在安全要求以及由于部署存在危险性,而需要透过无线充电方式来为电池充电。


整合之后 考量的是电池寿命

由于能源采集的过程中,输出的电源不是相当稳定,如何即时取得最大功率,就是一大挑战,而观察德仪或是凌力尔特的解决方案,至少都会有一两款产品将MPPT(最大功率点追踪)的功能加以整合,以确保电池的寿命能有效延长。


此外,视设计需求,电池充电器、升压转换器与降压转换器等,都会是能源采集系统设计所必须考量的硬体电路。若半导体制程乃至于技术能力许可的情况下,也有可能有升降压转换器再整合电池充电器的解决方案,像是凌力尔特的LTC3331,就可以归类在这种高度整合的方案。


不过,像是德仪也不遑多让,旗下的bq25570就整合了升压充电器与降压转换器,再加上德仪在类比电路设计上,一向会导入简单的可编程功能,所以该款产品也搭载了MPPT功能,但不管作法为何,其目标都是要将整体系统的电源动态管理作到最佳化。



图三: 能源采集所需要的电源设计架构,为了因为电源的稳定输出的问题,MPPT通常都会被纳入考量,升降压电路亦同。 (Source:德州仪器)
图三: 能源采集所需要的电源设计架构,为了因为电源的稳定输出的问题,MPPT通常都会被纳入考量,升降压电路亦同。 (Source:德州仪器)

结论

截至目前为止,能源采集这个议题在全球科技产业并没有如物联网或是智慧型手机等来得有话题性,这多少也影响了半导体业者们切入该领域的意愿,但能肯定的是,先行布局的还是以国外大厂居多。除此之外,与能源采集相关的半导体方案也是以电源设计居多。


不过,毕竟能源采集与物联网还是有着一定程度的关系在,每个节点若能够透过能源采集的方式来延长使用寿命,这将是物联网另一个值得思考的问题,届时,能源采集是否又将是产业界另一个热门话题,值得关注。



图四: 尽管能源采集在业界的讨论并不是太多,但若能搭上物联网热潮,提供电力让物联网终端系统运作,未尝不是能源采集的一条出路。 (Source:www.martindebie.com/)
图四: 尽管能源采集在业界的讨论并不是太多,但若能搭上物联网热潮,提供电力让物联网终端系统运作,未尝不是能源采集的一条出路。 (Source:www.martindebie.com/)
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