物聯(lián)網(wǎng)具有提高效率、提高安全性以及實(shí)現(xiàn)全新的商業(yè)模式的潛力，幾乎適用于生活或行業(yè)的任何方面，隨著AI技術(shù)和傳感器技術(shù)的進(jìn)步，智能物聯(lián)網(wǎng)正迎來(lái)爆發(fā)的態(tài)勢(shì)。例如，為了可靠和高效地運(yùn)行一個(gè)工業(yè)工廠，它有助于擁有盡可能多的監(jiān)測(cè)(或控制)點(diǎn)，更多的傳感器意味著更好的監(jiān)控。
然而，正是因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)無(wú)處不在的特性，也給工程師部署帶來(lái)諸多難題，其中電源供電這項(xiàng)看起來(lái)非常簡(jiǎn)單的任務(wù)，有時(shí)候裝置既不能獲得直接電源，拉線或更換電池也不切實(shí)際。即使使用長(zhǎng)壽命電池，最終也需要更換電池，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)。供電問題如何有效解決，成為難題。
近年來(lái)，隨著超低功耗電源管理技術(shù)以及能量采集傳感技術(shù)的進(jìn)步，能量采集這種“無(wú)能耗供電”模式開始成為重要選項(xiàng)。能量采集(或稱為功率采集或能量提取)允許電子裝置在無(wú)法獲得常規(guī)電源的場(chǎng)合正常工作，無(wú)需拉線或更換電池，這正在成為賦能物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。
無(wú)處不在的“無(wú)能耗供電”能量采集場(chǎng)景
在大量的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對(duì)能源的需求其實(shí)非常低，一節(jié)紐扣電池甚至就可以工作幾個(gè)月甚至幾年，然而這種非可持續(xù)供電的能源終究會(huì)帶來(lái)很多問題，除了廢舊電池帶來(lái)的環(huán)境危害，在很多應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)說(shuō)更換電池可能面臨昂貴的維護(hù)成本：例如森林防火監(jiān)測(cè)、橋梁監(jiān)測(cè)、化工廠的罐體監(jiān)測(cè)，甚至像高壓電力線這樣一個(gè)電能輸送通道中我們一樣需要討論設(shè)備供電問題。
這些獨(dú)特的應(yīng)用場(chǎng)景為能量采集供電提供了獨(dú)特的價(jià)值。盡管能量采集所利用的是“免費(fèi)能源”，但能源費(fèi)用并不是促進(jìn)大多數(shù)應(yīng)用的誘因。之所以采用現(xiàn)代化能量采集是因?yàn)榭梢员苊庠跓o(wú)法觸及的區(qū)域鋪設(shè)電線，或者頻繁更換電池。一言以蔽之，能量采集系統(tǒng)使用更方便，能夠降低眾多應(yīng)用的成本。
能量采集是把非常規(guī)能源用于電路供電，微小的能量被轉(zhuǎn)換成電能并儲(chǔ)存在耐用的儲(chǔ)能單元，例如電容、超級(jí)電容或微能量電池。能量采集系統(tǒng)通常包括功率管理、儲(chǔ)能裝置保護(hù)等電路，可選擇采集的能源包括光(由光伏電池捕獲)、振動(dòng)或壓力(由壓電元件捕獲)、溫差(由熱電發(fā)生器捕獲)、無(wú)線電能量(射頻)，甚至生化產(chǎn)生的能量，例如從血糖提取能量的細(xì)胞。
能量采集方案需要電子電路的支持。考慮到以下設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，如果系統(tǒng)不具備常規(guī)的供電條件，則需要將能量?jī)?chǔ)存在電池、超級(jí)電容或微能量電池中。此外，由于能源的多樣性，系統(tǒng)必須對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)和控制。另外，還需要適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)電路和儲(chǔ)能單元，避免受過高壓或功率尖峰的影響。由于能源提供的能量通常非常微弱，電子設(shè)備必須具有很高的工作效率。
由能量采集供電的遠(yuǎn)端設(shè)備必須非?？煽?，因?yàn)榧词惯M(jìn)行一次現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)也將完全毀滅遠(yuǎn)端控制的優(yōu)勢(shì)。最后，遠(yuǎn)端系統(tǒng)往往工作在惡劣環(huán)境，容易受環(huán)境/溫度條件波動(dòng)的影響。任何能量采集系統(tǒng)必須能夠勝任這樣的條件并正常工作。
極低功耗、極低采集啟動(dòng)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，這是一款nA級(jí)極低自身功耗的方案，而且具有極低的能量采集啟動(dòng)門檻(380mV冷啟動(dòng)，80mV~3.3V能量輸入)，此外還具有最大功率點(diǎn)跟蹤、多電源控制(3個(gè)電源輸入和2個(gè)電源輸出)、價(jià)格合理和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便的能量采集芯片，專門用于能量采集的電源管理芯片，可以用于多種能量源的采集，像太陽(yáng)能、電磁能(電流互感器)、溫差熱能、壓電、靜電電荷等。廣泛用于可穿戴設(shè)備、智能傳感器、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等。
高度集成的解決方案對(duì)于緊湊型布局極其有利，可減少設(shè)計(jì)復(fù)雜性，且業(yè)界領(lǐng)先的超低功耗性能可完整覆蓋從ADC轉(zhuǎn)換到處理器處理和無(wú)線通信的整個(gè)系統(tǒng)信號(hào)鏈。ADP5091大大地簡(jiǎn)化了原有的方案，并在能量采集效率、電源管理、成本控制上都有了明顯的優(yōu)化。下圖是ADP5091/92多種去點(diǎn)場(chǎng)景下的應(yīng)用功能框圖。
基于MAX17710能量采集方案
MAX17710能量采集充電器和保護(hù)器是新一代電源管理IC，用于“采集”各種能源產(chǎn)生的能量。MAX17710提供能量采集和電源管理，有效保護(hù)、管理儲(chǔ)存在微能量電池中的能量。像我們常見的微能量電池，尺寸只有郵票大小的超薄電池使用非常靈活方便，而且具有優(yōu)異的充電效率、重復(fù)使用壽命和功效。并且具有極低的自放電率，能夠存放數(shù)十年。實(shí)際上，正是這兩種器件的結(jié)合使得能量采集變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
MAX17710集成升壓穩(wěn)壓器，能夠從低至800mV的電壓進(jìn)行升壓充電。只要配合低廉的外部元件，即可對(duì)MEC進(jìn)行充電，并采集1μW至100mW的能量。為了保護(hù)MEC，MAX17710能夠處理高于MEC電壓的輸入，對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)壓或分流過大功率。超低靜態(tài)電流、低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)提供可選的輸出電壓：3.3V、2.3V或1.8V，防止?jié)撛诘腗EC過放電。這也允許MAX17710適應(yīng)各種負(fù)載，因?yàn)橹挥型獠磕茉磳EC電壓升至安全范圍后，才解除欠壓保護(hù)狀態(tài)。另一項(xiàng)考慮是極端溫度。極低溫度下，任何電池的特性阻抗都會(huì)增大，限制能夠提供的負(fù)載電流。MAX17710集成了一項(xiàng)特有功能，通過管理外部?jī)?chǔ)存電容提供較高的脈沖電流。
