低功耗应用的环境能量收集

作者： Pete Bartolik

如今的能量收集应用层出不穷。美国政府对清洁能源的投资以及私营企业对清洁能源制造、电动汽车和电池以及清洁发电的 4000 亿美元投资可谓是备受大众关注 ^i^ ，而针对物联网、可穿戴设备和生物医学设备（如植入体）的低功耗能量收集应用市场的蓬勃发展则鲜为人知 ^ii^ 。

人们对高效、可靠、紧凑的储能应用的需求凸显了利用环境能源取代或补充低功耗设备充电电池的机会潜力。这种能量收集应用有望实现无限期运行，无需更换电池，从而大幅减少生态垃圾。

收集到的太阳能可以为零售、工业和住宅环境中的可穿戴设备、通信设备、远程或难以接触到的传感器以及各种智能设备供电。此外，设计人员还可以利用其他环境能源，如温度变化、运动、振动、无线电波和声波。

克服设计挑战

尺寸和电源管理是设计移动、远程和无人值守设备的关键挑战。在许多情况下，无线连接具有同等的挑战性。然而，随着在集成必要电子元件并使之小型化方面的不断进步，已经能够让开发人员足以减少器件尺寸并优化成本了。

确定合适的能源和功耗优化是开发成功应用的关键。外形尺寸和美观程度因使用环境和用途的不同而大不相同。

消费类设备必须在外观上具有吸引力，并达到较高的可用性标准，才能在市场上取得成功。工业和远程设备受美观和消费者操作友好程度的影响较小，但可能需要实现更高的功能水平和互操作性。

实现低功耗设计主要取决于找到合适的组件和软件，以最大限度地降低能耗。同时还要能够最大限度地从能源中提取更多的电能。在理想情况下，应用收集到的能量应比消耗的多，从而实现完全的能源自主。

高性能能量收集 PMIC

[Nexperia] 提供了一种电源管理集成电路 (PMIC)，能够持续利用环境能量。[NEH2000BY] （图 1）在不影响能效的前提下实现了设备的高性能，从而解决了典型的能量收集平衡问题。

图 1：Nexperia 的 NEH2000BY PMIC 旨在用于低功耗设备的环境能量收集。（图片来源：Nexperia）

Nexperia PMIC 采用最大功率点跟踪 (MPPT) 自适应算法来优化来自环境源的能量传输，并确保高转换率。NEH2000BY MPPT 算法无需预先编程即可自动运行，可实现高达 80% 的最佳平均转换效率，并能在 0.5 秒内完成自适应。

对于研究或探索太阳能板和风力涡轮机优化的开发人员来说，MPPT 可谓是耳熟能详，但它也可用于收集其他环境能量来源（如热能、振动和无线电信号）的应用。MPPT 可持续监测电压和电流以确定最佳功率，并调整负载，使输出与应用要求相匹配。

NEH2000BY 采用“爬坡”算法，能够适应不断变化的环境，确保实现最高的效率，而不受能量波动的影响。虽然这款 PMIC 已针对光伏应用进行了优化，但仍可与各种利用 2.5 V 至 4.5 V 存储元件电压的采集器设备配合使用，并与各种类型的可充电电池以及无电池设计兼容。

Nexperia PMIC 能够让设计人员利用集成式、高效率、低功耗 DC-DC 器件设计各种应用，无需添加转换器和笨重的外部电感器。它只需要一个外部电容器，简化了印刷电路板 (PCB) 布局，减少了应用的物料使用。

据 Nexperia 称，该 PMIC 采用较薄的 3 mm x 3 mm 塑料热增强方形扁平封装 (HWQFN)，整体装配面积仅为 12 mm。这使得采集设计的尺寸比现有解决方案小了 20 倍。

参考设计平台

Nexperia 与 [Ambiq] 合作开发一个参考设计平台，产品设计人员可以利用该平台进行能量收集应用原型设计和测试。

Ambiq [harvestKIT AMA3BHARV1] （图 2）结合了基于 Nexperia NEH2000BY PMIC 的 Click 模块、Ambiq 的 Apollo3 Blue SoC 以及来自 [TDK InvenSense] 和 [Bosch Sensortec] 的低功耗 1.8 V 定制 Click 传感器模块。

图 2：Ambiq 的 harvestKit AMA3BHARV1 采用了带有 Nexperia 能量收集 PMIC 的 Click 模块，以及运动和环境传感器模块。（图片来源：Ambiq）

harvestKIT 带有 Nexperia 的能量收集技术，以及一个微机电系统 (MEMS) 运动传感器和一个环境传感器。Apollo3 Blue SoC 集成了低功耗蓝牙 (BLE) 5。附加扩展插槽可支持其他传感器和连接模块，如 Wi-Fi 或显示器。

这些组件可以驱动将低功耗能量收集与温度、湿度、运动和压力监测等输入结合在一起的应用。

开发人员可利用该参考设计开发一系列原型产品，通过收集能量延长电池寿命，或通过集成超级电容器或其他储能元件而去除电池的使用。

Apollo3 Blue SoC 采用 Ambiq 获得专利的亚阈值功率优化技术 (SPOT?)，可管理收集到的能量并高效处理低功耗应用。参考平台固件会将原始传感器数据发送到网络 APP，而人们可以在手机、平板电脑或个人电脑的 Chromium 网络浏览器上运行这个 APP。

结语

Nexperia 的 PMIC 为下一代高能效应用提供了一个极具吸引力的设计选择。通过收集太阳能和集成先进的传感器模块，开发人员可以设计出各种创新的解决方案，从而大大延长电池的使用寿命，甚至完全不需要电池。Nexperia 与 Ambiq 合作推出的 harvestKIT AMA3BHARV1 参考设计，为尖端的低功耗管理和处理应用提供了一个原型开发和测试平台，满足了人们对可持续、高效率电子设备日益增长的需求。

审核编辑 黄宇