作者：Maurizio Di Paolo Emilio，特約作家

近年來(lái)，對(duì)超低功耗的要求一直是最重要的電子設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在許多情況下，水平從 mW 急劇下降到 μW 或 nW。作為直接結(jié)果，還開(kāi)發(fā)了新技術(shù)來(lái)解決能源問(wèn)題。超低功耗微控制器 (MCU) 和能量收集的結(jié)合催生了以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的廣泛應(yīng)用，從而提高了電子設(shè)備的自主性水平。能量收集是使用不同的方法（例如熱電和振動(dòng)）將環(huán)境中存在的環(huán)境能量轉(zhuǎn)換為電能。

能源消耗以及更換或充電電池的需求仍然是采用物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，特別是對(duì)于商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用而言。許多低功耗便攜式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以永久工作，由能量收集供電，無(wú)需更換電池或充電。

Atmosic Technologies和Matrix Industries宣布合作提高工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 解決方案的能源效率。Atmosic 的超低功耗技術(shù)與 Matrix 的熱電技術(shù)相結(jié)合，將減少環(huán)境影響和電池維護(hù)成本。

能量收集的圣杯是允許設(shè)備在偏遠(yuǎn)地區(qū)在沒(méi)有電池的情況下運(yùn)行。低功耗設(shè)計(jì)和能量收集技術(shù)的結(jié)合可以創(chuàng)建具有連接、處理和跟蹤功能的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

熱電能量收集

Matrix 正在努力提高基于熱電效應(yīng)的收獲技術(shù)的效率。熱電效應(yīng)將材料的溫度變化轉(zhuǎn)化為電壓，反之亦然。最好的熱電材料可以很好地導(dǎo)電并提供良好的隔熱性。

所提供的熱量通過(guò)使用塞貝克效應(yīng)的熱電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電能。目前可用材料的當(dāng)前熱力學(xué)效率約為卡諾極限的 15%。這是由于難以將電傳導(dǎo)與熱傳導(dǎo)分離。納米材料合成技術(shù)的進(jìn)步和新聚合物的開(kāi)發(fā)為新一代熱電材料的開(kāi)發(fā)提供了機(jī)會(huì)，這些熱電材料更高效、成本更低、機(jī)械靈活，可用于生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等各種應(yīng)用。

熱電器件的基本組件包括單個(gè)結(jié)構(gòu)的 P 型和 N 型半導(dǎo)體熱電材料，每個(gè)結(jié)構(gòu)都串聯(lián)電連接。Matrix Gemini 熱電發(fā)電機(jī) (TEG) 是一種高性能能量收集設(shè)備，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于最大限度地從低溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)換為電能。它采用穩(wěn)定、高性能的熱電材料，效率比傳統(tǒng)熱電材料高 30%（圖 1 和圖 2）。

圖 1：帶有熱電能量收集的電路圖。Matrix 的 Mercury IC 是一款毫微功率能量收集同步升壓轉(zhuǎn)換器，具有微瓦冷啟動(dòng)、輸入阻抗匹配和穩(wěn)壓功能。

圖 2：用于能量收集的 MATRIX TEG。

Matrix PowerTile 是基于熱電的電源的一個(gè)例子，它從大約 2°C 的最小溫度變化中獲取電力。它可以埋在地下或嵌入到建筑基礎(chǔ)設(shè)施中，為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)提供持久的動(dòng)力。（圖 3）。

圖 3：MATRIX TEG 的布局。

“熱電工程具有顛覆物聯(lián)網(wǎng)能源的巨大潛力。它可以通過(guò)溫度波動(dòng)從稀薄的空氣中收集能量。每個(gè)熱電系統(tǒng)都可以定制成各種形狀和尺寸，以適應(yīng)最終產(chǎn)品的電力需求和設(shè)計(jì)，”Matrix 產(chǎn)品副總裁何孟說(shuō)。“最終，熱電[工程]的發(fā)展允許物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)部署到曾經(jīng)無(wú)法接近的地方，釋放無(wú)限的可能性。”

沒(méi)有電池的新前沿

Atmosic和 Matrix 將與工業(yè)和消費(fèi)設(shè)備的主要客戶(hù)合作，實(shí)施由熱電技術(shù)和其他能量收集技術(shù)驅(qū)動(dòng)的連接解決方案，以提高效率和生產(chǎn)力。

“Atmosic 和 Matrix 致力于減少行業(yè)對(duì)電池為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電的依賴(lài)，”Atmosic 的首席執(zhí)行官 David Su 說(shuō)?！癆tmosic 創(chuàng)新的最低功耗連接解決方案與 Matrix 的尖端熱電技術(shù)相結(jié)合，將使客戶(hù)能夠在各種應(yīng)用中顯著減少甚至消除對(duì)電氣/有線或電池電源的使用，從而節(jié)省成本?！?/p>

減少物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中有線、電力和電池供電的能源使用可帶來(lái)許多經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。與許多需要頻繁更換電池的設(shè)備不同，具有能量收集功能的低功耗物聯(lián)網(wǎng)解決方案的電池壽命顯著延長(zhǎng)，或者可以完全無(wú)電池，從而簡(jiǎn)化維護(hù)操作并降低維護(hù)成本。

幾年后，估計(jì)全球?qū)⒂谐^(guò) 350 億臺(tái)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。Atmosic 和 Matrix 技術(shù)非常適合廣泛的農(nóng)業(yè)工業(yè)應(yīng)用，以及可穿戴設(shè)備和家庭自動(dòng)化產(chǎn)品等對(duì)訪問(wèn)至關(guān)重要的消費(fèi)設(shè)備。此次合作使 Atmosic 能夠擴(kuò)大其在未開(kāi)發(fā)的 IIoT 領(lǐng)域的影響力和有用的市場(chǎng)，并擴(kuò)大其在消費(fèi)設(shè)備領(lǐng)域的影響力。反過(guò)來(lái)，Atmosic 的無(wú)線技術(shù)使 Matrix 能夠提供與物聯(lián)網(wǎng)的超低功耗連接的全方位服務(wù)解決方案。

“聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能量收集的關(guān)鍵是其基準(zhǔn)功耗。Atmosic 設(shè)計(jì)了一種極低功耗（比平均功耗低 5 到 10 倍）與標(biāo)準(zhǔn)兼容的藍(lán)牙解決方案。因此，收集到的少量能量可以實(shí)現(xiàn)無(wú)電池或永久電池設(shè)備，”Atmosic 業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁 Srinivas Pattamatta 解釋道?！巴ㄟ^(guò)在藍(lán)牙 SoC 內(nèi)設(shè)計(jì)一個(gè)全面的電源管理控制器，可以同時(shí)使用多種能量收集技術(shù)，確保持續(xù)供電、持久連接的解決方案?！?/p>

光電、熱電、壓電和電動(dòng)技術(shù)是眾所周知的，通常用于為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN) 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)供電，這些節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂破鳌Ｄ芰渴占夹g(shù)可用于提高工業(yè)系統(tǒng)的可靠性和可用性。?

從環(huán)境或“免費(fèi)”能源為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電很有趣，因?yàn)樗梢韵龑?duì)電池或電纜的需求，在更換或維護(hù)電池困難、昂貴且需要大量勞動(dòng)力時(shí)提供明顯優(yōu)勢(shì)。

審核編輯 黃昊宇