作者： Pete Bartolik

如今的能量收集應用層出不窮。美國政府對清潔能源的投資以及私營企業(yè)對清潔能源制造、電動汽車和電池以及清潔發(fā)電的 4000 億美元投資可謂是備受大眾關注 ^i^ ，而針對物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設備和生物醫(yī)學設備（如植入體）的低功耗能量收集應用市場的蓬勃發(fā)展則鮮為人知 ^ii^ 。

人們對高效、可靠、緊湊的儲能應用的需求凸顯了利用環(huán)境能源取代或補充低功耗設備充電電池的機會潛力。這種能量收集應用有望實現(xiàn)無限期運行，無需更換電池，從而大幅減少生態(tài)垃圾。

收集到的太陽能可以為零售、工業(yè)和住宅環(huán)境中的可穿戴設備、通信設備、遠程或難以接觸到的傳感器以及各種智能設備供電。此外，設計人員還可以利用其他環(huán)境能源，如溫度變化、運動、振動、無線電波和聲波。

克服設計挑戰(zhàn)

尺寸和電源管理是設計移動、遠程和無人值守設備的關鍵挑戰(zhàn)。在許多情況下，無線連接具有同等的挑戰(zhàn)性。然而，隨著在集成必要電子元件并使之小型化方面的不斷進步，已經(jīng)能夠讓開發(fā)人員足以減少器件尺寸并優(yōu)化成本了。

確定合適的能源和功耗優(yōu)化是開發(fā)成功應用的關鍵。外形尺寸和美觀程度因使用環(huán)境和用途的不同而大不相同。

消費類設備必須在外觀上具有吸引力，并達到較高的可用性標準，才能在市場上取得成功。工業(yè)和遠程設備受美觀和消費者操作友好程度的影響較小，但可能需要實現(xiàn)更高的功能水平和互操作性。

實現(xiàn)低功耗設計主要取決于找到合適的組件和軟件，以最大限度地降低能耗。同時還要能夠最大限度地從能源中提取更多的電能。在理想情況下，應用收集到的能量應比消耗的多，從而實現(xiàn)完全的能源自主。

高性能能量收集 PMIC

[Nexperia] 提供了一種電源管理集成電路 (PMIC)，能夠持續(xù)利用環(huán)境能量。[NEH2000BY] （圖 1）在不影響能效的前提下實現(xiàn)了設備的高性能，從而解決了典型的能量收集平衡問題。

圖 1：Nexperia 的 NEH2000BY PMIC 旨在用于低功耗設備的環(huán)境能量收集。（圖片來源：Nexperia）

Nexperia PMIC 采用最大功率點跟蹤 (MPPT) 自適應算法來優(yōu)化來自環(huán)境源的能量傳輸，并確保高轉換率。NEH2000BY MPPT 算法無需預先編程即可自動運行，可實現(xiàn)高達 80% 的最佳平均轉換效率，并能在 0.5 秒內完成自適應。

對于研究或探索太陽能板和風力渦輪機優(yōu)化的開發(fā)人員來說，MPPT 可謂是耳熟能詳，但它也可用于收集其他環(huán)境能量來源（如熱能、振動和無線電信號）的應用。MPPT 可持續(xù)監(jiān)測電壓和電流以確定最佳功率，并調整負載，使輸出與應用要求相匹配。

NEH2000BY 采用“爬坡”算法，能夠適應不斷變化的環(huán)境，確保實現(xiàn)最高的效率，而不受能量波動的影響。雖然這款 PMIC 已針對光伏應用進行了優(yōu)化，但仍可與各種利用 2.5 V 至 4.5 V 存儲元件電壓的采集器設備配合使用，并與各種類型的可充電電池以及無電池設計兼容。

Nexperia PMIC 能夠讓設計人員利用集成式、高效率、低功耗 DC-DC 器件設計各種應用，無需添加轉換器和笨重的外部電感器。它只需要一個外部電容器，簡化了印刷電路板 (PCB) 布局，減少了應用的物料使用。

據(jù) Nexperia 稱，該 PMIC 采用較薄的 3 mm x 3 mm 塑料熱增強方形扁平封裝 (HWQFN)，整體裝配面積僅為 12 mm。這使得采集設計的尺寸比現(xiàn)有解決方案小了 20 倍。

參考設計平臺

Nexperia 與 [Ambiq] 合作開發(fā)一個參考設計平臺，產品設計人員可以利用該平臺進行能量收集應用原型設計和測試。

Ambiq [harvestKIT AMA3BHARV1] （圖 2）結合了基于 Nexperia NEH2000BY PMIC 的 Click 模塊、Ambiq 的 Apollo3 Blue SoC 以及來自 [TDK InvenSense] 和 [Bosch Sensortec] 的低功耗 1.8 V 定制 Click 傳感器模塊。

圖 2：Ambiq 的 harvestKit AMA3BHARV1 采用了帶有 Nexperia 能量收集 PMIC 的 Click 模塊，以及運動和環(huán)境傳感器模塊。（圖片來源：Ambiq）

harvestKIT 帶有 Nexperia 的能量收集技術，以及一個微機電系統(tǒng) (MEMS) 運動傳感器和一個環(huán)境傳感器。Apollo3 Blue SoC 集成了低功耗藍牙 (BLE) 5。附加擴展插槽可支持其他傳感器和連接模塊，如 Wi-Fi 或顯示器。

這些組件可以驅動將低功耗能量收集與溫度、濕度、運動和壓力監(jiān)測等輸入結合在一起的應用。

開發(fā)人員可利用該參考設計開發(fā)一系列原型產品，通過收集能量延長電池壽命，或通過集成超級電容器或其他儲能元件而去除電池的使用。

Apollo3 Blue SoC 采用 Ambiq 獲得專利的亞閾值功率優(yōu)化技術 (SPOTò)，可管理收集到的能量并高效處理低功耗應用。參考平臺固件會將原始傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡 APP，而人們可以在手機、平板電腦或個人電腦的 Chromium 網(wǎng)絡瀏覽器上運行這個 APP。

結語

Nexperia 的 PMIC 為下一代高能效應用提供了一個極具吸引力的設計選擇。通過收集太陽能和集成先進的傳感器模塊，開發(fā)人員可以設計出各種創(chuàng)新的解決方案，從而大大延長電池的使用壽命，甚至完全不需要電池。Nexperia 與 Ambiq 合作推出的 harvestKIT AMA3BHARV1 參考設計，為尖端的低功耗管理和處理應用提供了一個原型開發(fā)和測試平臺，滿足了人們對可持續(xù)、高效率電子設備日益增長的需求。

審核編輯 黃宇