边缘物联网设备的能量收集

出处:翻译powerelectronicsnews 发布于:2022-11-30 16:45:46

    各种形式的智能生活是提高生活质量和可持续性的关键,随着组织进行数字化转型,物联网部署也在不断取得进展。
    无线连接到聚合设备或互联网网关的传感器或执行器(频率较低)是常见的物联网端点。在智慧城市、智慧工业或智慧农业等场景中,它们经常大量部署并分散在广阔的地理区域。执行现场维护(例如更换放电电池)的成本高得令人望而却步。此外,用过的电池正成为一种令人无法接受的重大生态负担。
    工程师可以通过提供足够的能量来延长设备的预计使用寿命,从而在设计端点时避免更换电池的需要。这可能需要很长时间。由于尺寸限制,通常纽扣电池外形。如果储存的能量不能满足系统的要求,则安装更大的电池可能是一种替代方法。
    重新设计电路以将整体系统能耗降低到可用电池存储以下是另一种选择。任何一种策略或两者的组合都可能达不到目标。
    微瓦或毫瓦级的微能量收集可以提供有用且可能取之不尽用之不竭的电能供应,这些电能是从周围环境中捕获的。这可以补充或替代原电池,具体取决于应用和可用的环境能量。收集和转换的能量有可能直接为电路供电。另一方面,将能量存储在缓冲区中直到需要它可能是一种更合适的方法。
    在任何情况下,都需要能够满足应用需求的合适的环境能源。在物联网端点的各种子系统中,无线电的能源需求。分析此处的要求,为能量收集系统的设计和集成提供信息可能具有指导意义。
    无线电子系统功耗
    选择合适的无线技术以尽可能低的功耗提供所需的数据速率和通信范围至关重要。
    如果传感器距离聚合器或网关(例如连接到 Internet 的集线器或路由器)或通过本地电信交换局的距离很短,则蓝牙、Zigbee 或 Wi-Fi 等技术可能是合适的,具体取决于关于所需的数据速率以及成本限制。在其他情况下,例如端点分布在地理上较大的区域时,可能需要 LPWAN 或蜂窝连接。图 1 比较了物联网应用中使用的主要技术的功耗、数据速率、典型范围和相对成本。

    流行的物联网无线通信技术比较

    图 1:流行的物联网无线通信技术的比较。(:  BehrTech)。
    范围、数据速率和功耗也可以用数字表示,以帮助直接比较。如图 2 所示,无线子系统的功耗可低至 150?W 至 400mW。

    数据速率、带宽和功耗比较

    图 2:数据速率、带宽和功耗之间的比较。(:  Voler Systems。)
    要充分了解对系统整体能量需求的影响,还需要考虑占空比。智能电表等应用涉及每天或每隔几天发送几次小数据包。其他人,例如安全摄像头,可能需要频繁或连续发送大量数据。根据应用程序,可以通过在传输前在系统内本地过滤数据来减少占空比;相机可能装有运动传感器,仅在检测到活动时才开始记录,或者嵌入式图像处理可能会丢弃无趣的数据。当然,必须将过滤数据所需的能量与通过减少占空比节省的能量进行比较,以确保净收益。
    环境能源
    了解无线子系统所需的能量和功率后,就可以评估合适的环境源和微能量收集技术。
    适用于为这些系统供电的主要微能量收集技术是太阳能电池阵列、由振动激活的压电或静电转换器,以及将温度梯度转换为电动势 (EMF) 的珀耳帖设备。通过贴片天线线圈天线捕获的 RF 能源往往不适用于除节俭的 IoT 应用之外的所有应用。图 3 比较了与这些技术相关的典型能量密度。使用此信息,可以通过评估可用组件的尺寸和性能来选择技术并开始制定规范。

    收集的环境能源的功率密度

    图 3:收集的环境能源的功率密度。
    假设效率约为 20%,面积为 35-40cm 2的太阳能电池可产生约 0.5 瓦的功率。这些器件的单价低于 1 美元,而压电采集器通常至少贵一个数量级,而且产生的能量更少。众所周知,太阳能电池在室内使用时效率较低。然而,近推出的一些室内太阳能收集器声称可为低功率无线电提供足够的输出。
    把它放在一起
    利用诸如此类的进步,微能量收集可以被视为减少或消除物联网端点电池的解决方案。由于能源本身往往是不规则的,在物联网设备需要传输或接收数据时不一定可用,因此通常需要能量缓冲器或存储设备。这可以是可充电电池或电容器(或超级电容器)。需要一个能量收集电源管理 IC (EH PMIC) 来处理来自收集子系统的能量,管理提供给能量缓冲器的电荷,并在需要时为负载供电,如图 4 所示。各种能量收集技术具有不同的电气特性。热电收集器在低电压下产生连续的直流电流,因此具有低阻抗。虽然太阳能电池也会产生低直流电压,

    电源管理集成电路

    图 4:EH PMIC 处理能量缓冲器的充电并为应用供电
    当今市场上典型的 EH PMICS 具有固定的架构和输入电压范围,旨在与特定类型的收集器一起运行。如果仅靠一个不能满足系统要求,这就排除了使用替代收集器来捕获额外的环境能量。因此,如果需要多个能源,则每个能源都需要专用的 EH PMIC。这会增加系统成本、尺寸和功耗,还会使设计复杂化。
    一些 EH PMIC 可以使用外部电路进行修改,以调节能量收集器的输出。然而,为了简化系统设计,Trameto 的 EH PMIC(称为 OptiJoule)提供的输入可自动适应各种类型的连接采集器,并限度地提高输送到缓冲器的功率,而无需外部电路。版本可用于单输入或多四输入。多输入版本具有连接相似或不同类型收割机的灵活性。因此,借助 OptiJoule 设备,可以扩展微型能量收集能力,将单个 PMIC 用于多种应用,甚至可以在需要时将能量收集技术的选择推迟到产品开发的后期。
    结论
    通过优化无线电协议、低能耗微处理器设计、低功耗传感器的发展以及微能量收集效率的提高,环境能量已成为一种可行的,有助于减少或消除对电池的依赖,并延长 IoT 端点的使用寿命场。EH PMIC 的发展允许在集成选定的微型能量收集技术时更加灵活地管理尺寸、成本和复杂性。
关键词:物联网

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