適用邊緣IoT裝置的能量採集技術比較

作者 : Huw Davies,Trameto執行長暨聯合創始人

透過最佳化無線協定、低能耗微處理器設計、低功耗感測器,以及提高微能量採集效率,收集環境能量有助於減少或消除電池使用並延長物聯網終端裝置的工作壽命。

隨各企業都在追求數位化轉型,各種類型的智慧家庭成為提高生活品質和可持續性的關鍵,物聯網(IoT)的部署正在不斷的發展。

常見的物聯網終端裝置大都是感測器,也有可能是不太常見的致動器(actuator),它們被無線連接到聚合裝置(aggregating device)或網際網路閘道器上。通常這些裝置會被大量部署在智慧城市、智慧工廠或智慧農業等較大型的場景中,所以對這些裝置進行現場維護(例如更換電池)的成本會非常高。此外,更換下來的廢電池也會給環境帶來越來越不可承受的負擔。

在設計終端裝置時,工程師可以透過供給能源來維持裝置的壽命,從而避免更換電池,但這可能要花上幾年。由於尺寸限制,裝置通常需要使用鈕扣電池,而如果電量達不到系統要求,則需要選擇更大的電池。

另一種方法是重新設計電路,將整個系統的電量需求降低到可用電池的電量儲存量以內。但使用上述任何一種方法,或兩者結合,都有可能無法達到我們的目標。

微瓦(μW)或毫瓦(mW)級的微能量可以從周圍環境中採集,有助於提供有用且取之不盡的電能。這些電能可作為原電池的補充或替代,具體取決於應用和可用的環境能源。收集和轉換的能量可直接為電路供電,也可以將能量儲存在緩衝器中以備不時之需。

在任何情況下,我們都需要合適的環境能源來滿足應用需求。在物聯網終端裝置的各個子系統中,無線技術的能源需求量最大,本文的分析可以為能量採集系統的設計和整合提供有用資訊。

無線子系統的功耗

選擇最合適的無線技術,用盡可能低的功耗來提供所需的資料速率和通訊範圍至關重要。

如果感測器的位置距離聚合器或閘道器很近(例如集線器或路由器這些連接到網際網路或透過本地電信交換機的裝置),那麼藍牙、Zigbee或Wi-Fi等技術可能比較合適,這具體還取決於所需的資料速率,以及成本限制。在其他情況下(例如終端裝置分佈在較大的地理區域內),則可能需要LPWAN或蜂巢無線連接。圖1比較了物聯網應用中主要無線技術的功耗、資料速率、典型最大範圍和相對成本。

 

圖1:幾種常見物聯網無線通訊技術的比較。

(來源:BehrTech)

 

覆蓋範圍、資料速率和功耗都可以用資料表示,這可以進行直接對比。如圖2所示,無線子系統的功耗可低至150μW~400mW。

 

圖2:資料速率、頻寬和功耗之間的比較。

(來源:Voler Systems)

 

為了充分瞭解對系統整體能源需求的影響,還需要考慮工作週期。智慧表計等應用需要每天或每隔幾天發送幾次小資料封包,其他裝置(例如安全攝影機)則可能需要更頻繁或連續地發送大量資料。根據應用的不同,可以在資料傳輸之前在系統內部進行本地過濾來減少工作週期,例如可以在攝影機上安裝運動感測器,讓其僅在檢測到活動時才開始記錄,或使用內嵌影像處理以丟棄一些無意義的資料。當然,過濾資料所需要的耗能必須小於透過降低工作週期節省下來的耗能,這樣才划算。

環境能源

瞭解到無線子系統所需的能量和功率後,就可以對合適的環境能源和微能量採集技術進行評估。

適合為這些系統供電的主流微型能量採集技術包括:太陽能電池陣列、透過振動啟動的壓電或靜電轉換器,以及能夠將溫度梯度轉換為電動勢(EMF)的Peltier裝置等,不過,利用貼片或線圈天線收集到的射頻能源往往不適用於大多數物聯網應用。圖3比較了這些技術特有的能量密度,透過這個資訊,可以評估使用元件的尺寸和性能,以此來選擇技術並開始制定規範。

 

圖 3:採集環境能源的功率密度。

 

假設效率為20%,面積為35~40cm2的太陽能電池可以產生大約0.5瓦的電能。這類產品的成本不到1美元,而通常壓電採集器的成本至少要高出一個等級,且產生的能量更少。眾所周知,太陽能電池在室內使用時的效率較低,然而,最近推出的一些室內太陽能採集器聲稱可以為低功率無線裝置提供足夠的能源。

融合使用

利用這些技術的進步,微能量採集可以被用於減少或消除物聯網終端裝置上的電池使用。當物聯網裝置需要傳輸或接收資料時,能源本身通常不規則且不一定可用,因此通常需要一個能量緩衝器或存放裝置,可以是可充電電池或電容(或超級電容)。如圖4所示,同時還需要一個能量採集電源管理IC (EH PMIC)來處理子系統採集的能量、管理供給能量緩衝器的電量,並在需要時為負載供電。各種能量採集技術具有不同的電氣特性,熱電採集器在低電壓下會產生連續的直流電流,因此具有低阻抗。雖然太陽能電池也會產生低直流電壓,但它的電流和阻抗會隨著光照強度變化。

 

圖4:EH PMIC用於管理能量緩衝器的充電並為應用負載供電。

 

當今市場上典型的EH PMIC都有固定的架構和輸入電壓範圍,這是為了與特定類型的採集器配合使用。如果單獨一個電源不能滿足系統的要求,那就不可能使用這種替代採集器來採集額外的環境能源。因此,如果需要多種能源融合起來,而且每種能源都需要一個專用的EH PMIC,將增加系統成本、尺寸和功耗,還會讓設計更複雜。

一些EH PMIC可以使用外部電路進行修改,以調節能量採集器的輸出。然而,為了簡化系統設計,Trameto的EH PMIC (稱為OptiJoule)提供的輸入可以自動適應各種類型的連接採集器,並最大程度提高緩衝器的功率供給,且無需外部電路。該產品有多個版本型號,分別用於單個輸入或多個(最多四個)輸入。多輸入版本有較強的靈活性,可連接相似或不同類型的採集器。因此,借助OptiJoule,微能量採集的能力可以得到提升,也可以將單個PMIC用於多種應用,甚至可以在產品開發後期再選擇能量採集技術(如果需要的話)。

結論

透過最佳化無線協議、低能耗微處理器設計、低功耗感測器,以及提高微能量採集效率,收集環境能量有助於減少或消除電池使用並延長物聯網終端裝置的工作壽命。在對特定微能量收集技術進行融合時,EH PMIC的最新技術進展可以讓系統設計的尺寸、成本和複雜性管理更加靈活。

(參考原文:Making energy harvesting work for edge IoT devices,by Huw Davies)

 

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年10月號

 

 

 

 

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