文︱
JOHN KOON
Semiconductor Engineering
編譯︱
編輯部
現階段，數以百億計的物聯網裝置仍由電池供電。根據計算強度和電池化學性質，這些裝置僅能夠穩定執行很短一段時間，個別裝置偶爾能夠執行數十年。但在某些情況下，這些裝置也可以自己收集能量，或者利用外部收集的能量，使它們幾乎可以無限期地工作。
多年來，為半導體供電的能量收集技術一直處於設計階段，但時至如今，該技術只能實現有限能量的吸收和採集。太陽能、水力發電和地熱能被大規模使用，而光、熱、風、振動和無線電波在更小裝置中的使用有限。
圖1：能量來源包括光、電磁、熱能、動能等（圖源：機器狀態監測中實現自供電無線感測器網路的能量收集技術：綜述）
在物聯網領域中，能量收集有望減少或消除對電池的需求。這對於難以更換電池的裝置（例如牲畜感測器、智慧樓宇和遠端監控）以及可穿戴電子裝置和物流跟蹤等應用特別有吸引力。但到目前為止，這項技術尚未能普及開來。
一定程度上，這是由於輸入源和能量水平小且通常不可靠。此外，將能量從環境中轉換成電力需求高效率的設計方法，這可能使這些方法成本過高。如果操作需要源源不斷的電力，那麼能量儲存將會是另一個值得考慮的方案。
將使用紐扣電池的智慧物聯網感測器設計與使用能量收集的感測器設計進行比較，可以看出紐扣電池的設計要簡單得多。但是，雖然使用紐扣電池的設計不需要額外的能量收集電路，但它需要在某個時候更換電池。
根據理論計算，大多數物聯網規格預測電池壽命將持續數年到20年以上。然而，這些預估通常不會考慮電池洩漏和排水。與工業級物聯網電池相比，消費類紐扣電池的質量和可靠性要低得多。這就解釋了為什麼工業級電池的成本要高出一個數量級，同時還顯示出能量收集的吸引力，這可以縮減對電池的需求，或在裝置的使用壽命內自動為電池充電。
“能量收集技術正在不斷髮展，”西門子數字工業軟體公司產品工程總監John Stabenow稱。“隨著對物聯網需求不斷增加，為無電池物聯網解決方案的使用提供了強勁的驅動力。優勢是顯而易見的，無需每隔幾年更換數千塊電池，節省的成本很可觀。智慧化、小型化、超低功耗逐漸成為物聯網感測器發展的主流方向。透過使用系統設計建模和模擬，可以為智慧感測器的開發提供最佳功率預算和電路設計。因此，可以對能量收集技術進行微調，以滿足特定的功率要求。”
理想的用例是為具有超低功耗的裝置提供高效能量收集的組合，以實現可持續的執行。為了正確看待問題，以下是各種來源的可用能量和各種裝置的估計能量需求的一些示例：
提高能量轉換效率
太陽能是主流的能源，但使用太陽能電池板將太陽能轉換為電能的效率很低，這就是為什麼太陽能電池板如此之大。太陽光使用光伏（PV）半導體材料轉換為電能。多個光伏電池連線在一起形成一個模組或面板。透過使用最大功率點（MPPT）技術，在轉換光伏模組功率時可實現最高效率。
在電池充電情況下，MPPT 演算法會比較PV輸出和電池電壓，然後設定最佳充電電壓。MPPT演算法在寒冷天氣或電池快要放完電時執行最有效。
“對於能量收集而言，太陽能是可再生能源之一，”英飛凌科技首席應用工程師Kasra Khazraei表示。“太陽能系統由兩個主要元件組成，太陽能電池板和電力電子電路。大多數太陽能電池板的效率都在20%以下，平均在17%至18%左右。針對有效提升效率問題，太陽能電池物理學的突破是必要的。這就是為什麼很多努力都集中在提高電力電子電路的效率上，以提高太陽能系統的整體能量輸出。”
“針對超低功耗應用，例如車載探測器、牲畜跟蹤、智慧農場、智慧城市和可穿戴消費裝置等，其能量收集器的高效設計對低功耗有著極高的要求（在μW範圍內），且在使用PV電池時冷啟動電壓低於500mV，使用熱電發生器（TEG）時低於100mV。整體來說，MPPT嵌入式演算法是有幫助的，因為它可以最大限度地從兩個來源中提取能量，”意法半導體技術營銷組經理Alessandro Nicosia認為。“此外，需要一個強大的PCB設計來保護系統免受噪聲和環境干擾，這些干擾可能導致電池過充電和過放電閾值的錯誤觸發，以及未經保護的內部電路待機相位和電池/負載供電連續性。”
RF能量收集設計人員也在尋求高效轉換能量的方法。這種方法廣泛適用於無電池消費類產品和電子裝置無線充電等應用。一個潛在的射頻能量突破性用例是Powercast提供的零售電子貨架標籤（ESL）應用程式。
傳統上，工人在雜貨店或百貨商店改變價格標籤。但價格經常變化，特別是商品促銷時，這可能使價格標籤頻繁改動。已經有許多嘗試來降低勞動強度，包括使用無線價格標籤。無線價格標籤方法的一個缺點是，每個標籤都需要有一個由電池供電的無線接收器，並且這些電池需要每隔幾年更換一次。Powercast的想法是使用無線RFID價格標籤。最近，一家大型百貨連鎖店開始部署機器人來跟蹤商店內的庫存。這些機器人可以被程式設計為使用RF訊號掃描無電池RFID價格標籤，以便更新價格。RFID標籤上顯示的新價格將保持不變，直到下次掃描。RFID價格標籤中使用的Powercast RF-to-DC轉換器晶片尺寸為1 x 0。6 x 0。3mm，支援10MHz至6GHz的頻率，轉換效率為75%。
圖2：射頻能量收集功能包括射頻到直流轉換和電壓監控（圖源：Powercast）
“射頻能量源的強度各不相同。因此，用於將RF能量轉換為直流的晶片要求高效，優選在70%至80%的範圍內。天線設計對於最大化能量收集也很重要，”Powercast首席技術官Charles Greene評論道，“此外，根據應用的不同，裝置與能源（如Wi-Fi路由器）的距離也很重要，因為能量功率與其距離成反比。例如，無線遊戲控制器的功率更強，需要保持在距離電源一英尺的範圍內。鍵盤的耗電量較小，並且可以保持在距離其源頭六英尺的範圍內。物聯網感測器將在10英尺內正常執行。”
降低系統功耗
雖然能量收集很重要，但它不會降低低功耗設計的價值，尤其是在邊緣應用中。“這始終是關於以最低功耗實現計算能力最大化，”瑞薩電子美國公司執行副總裁Saileesh Chittipeddi表示。“新系統中的功率效率和功耗概念對人們來說變得越來越重要。這推動了策略轉變，特別是在工業領域。”
能量收集補充了這種轉變，簡單的解決方案通常比複雜的解決方案更具優勢。例如，16位MCU的功耗低於32位MCU。同樣，4位MCU比8位MCU功耗更低。合理調整設計大小意味著首先要產生的能量更少。
最近，越來越多的晶片製造商在開發nW範圍內工作的超低功耗MCU。一些超低功耗MCU可以在1。8V下工作，在執行模式下每兆赫茲僅消耗150μA電流，而休眠模式僅消耗10nA電流。如果需要保留儲存器內容，則休眠模式電流將在2μS喚醒時間內增加到50nA。這種趨勢對能量收集的發展非常鼓舞人心。
“直到最近，能量收集系統設計人員通常會簡單地表徵其系統的功率和能量需求，然後選擇足夠大的能量收集器和儲存器來可靠地提供此功能，”Arm工程師James Myers指出，“這很有效，但這意味著這些系統通常可能很大而且很昂貴。如今的方案逐漸將問題的焦點轉向應用規模或成本約束，這流入了功率和能源預算，系統需要為此進行設計。幸運的是，我們現在有大量的低功耗元件可供使用，如果都不合適，還可以構建一個自定義SoC，該SoC可以按照需求進行整合。超低功耗處理器對這個領域特別有用，因為它們允許與無線電、執行器和非易失性記憶體使用等能源密集型活動進行智慧權衡。它們甚至可以適應無儲存收集系統中的間歇性電源可用性。”
開放的無線電標準
國際電工委員會（IEC）釋出了一系列標準，以解決與振動、熱和電磁能源相關用於能量收集和生成的半導體器件。該標準還涉及測試和評估方法，柔性熱電器件的測試方法以及線性滑動模式摩擦電能量收集。
另外，EnOcean聯盟是一個擁有500名成員的非營利組織，支援ISO/IEC 14543-3-10（稱為ASK並在歐洲使用）或14543-3-11（稱為FSK，在北美和日本使用）。它是一種開放協調的無線電標準，用於描述無線電引數（OSI中的物理層1）。此標準針對自供電無線裝置進行了最佳化。
EnOcean聯盟獨立於EnOcean公司存在。該聯盟的七個發起人包括BSC Computer GmbH、Eltako、EnOcean GmbH、NIFCO Inc。、IBM、Microsoft和T-Systems Multimedia Solutions。這個全球網路的成員建立了一個可互操作的免維護標準，其中包含用於智慧家居，智慧建築和智慧空間應用的認證計劃。
能量收集技術持續創新
能量收集發展勢頭正持續提升。包括ADI、Atmosic、EnOcean、Metis Microsystems、ONiO、Powercast、瑞薩電子、意法半導體和德州儀器在內的公司提供越來越多的矽產品。透過AI技術，產品將更小巧、更輕便、更智慧，甚至功耗更低。能量收集技術正在不斷創新中成熟落地，未來的可能性只會受到想象力的限制。
“近年來，我們看到很多為提高電力電子系統效率對寬頻隙開關開發的投資，”英飛凌的Khazraei表示。“正如我們將在未來5到10年內看到的那樣，採用由氮化鎵和碳化矽製成的高度先進的寬頻隙開關將徹底改變可再生能源系統。這些開關可實現非常高的頻率功率密度和高效設計。電路尺寸顯著減小將降低安裝和維護太陽能系統的成本。”
最近，華盛頓大學在一段影片中展示了一個輕巧、低功耗、蒲公英狀感測器漂浮在空氣中，對溫度和溼度進行取樣。根據該校助理教授Vikram Lyer的說法，這種微型裝置的能耗從幾微瓦到超過10微瓦不等，具體取決於取樣率。它從太陽收集能量，速度為每秒0。87米，對於30mg的裝置（感測器重1mg），可以在微風中傳播50至100米，安全直立著陸的機率約為95%。該裝置可能用於監測乾燥天氣地區的森林火災。該校正在推進更進一步的研究，以擴大感測器的控制和應用。
歐洲研究委員會（ERC）向德國開姆尼茨理工大學提供了150萬歐元的研究經費，用於開發世界上最小的電池：智慧塵埃電池。基於過去的電池研究，該團隊設定了一個目標，即開發一種能夠為每平方釐米提供100微瓦能量的電池，用於超小型計算機和電子應用。當這成為現實時，它可以嵌入到未來的物聯網裝置中，這些裝置依賴於能量收集進行充電。
“能量收集技術將繼續發展，”EnOcean總裁兼聯合創始人Oliver Sczesny表示，“傳統公司以及初創公司將帶來新的想法和創新。例如，太陽能和熱能收集對輕薄、靈活且可列印的能量收集器箔進行了大量研究。特別是針對太陽能收集，該器件原型已經上市並開始大規模生產。這些型別的收集器從為小型感測器供電到更大規模的能量收集，提供了更為廣泛的可能性。”
正在開發的其他技術概念，例如無線無電池身體感測器網路，使用近場服裝來監測穿著者的生理狀況，以及用於測量患者傷害脆弱點的無線軟感測器。業界逐漸開始嘗試新的方法，例如從電路的瞬態能量中收集，預計研究機構、創新高科技公司和初創公司將繼續提出能量收集的新想法。
“計算系統用1和0表示資訊，其中二進位制資料的資訊通常以電荷的形式存在於CMOS晶片中，”Metis Microsystems的創始人兼執行長Azeez Bhavnagarwala表示。“‘1’在電路節點上表示方法是，將電荷從晶片的電網移動到節點，將其電勢提高到晶片的電源電壓。電路節點上的‘0’透過排出其上持有的電荷來表示，將其電勢降低到晶片的參考地電位。在這兩種情況下，這些儲存資料的電路節點都可以作為靜電能量的來源或接收器，相當於電路節點上的‘矽電池’。這種矽電池可以作為晶片內的能量資源，提供儲存器和算術元件所需的一些功率。”
這是一個重要的轉變。“用於基於CMO的靜態儲存器的電路IP（6T SRAM、8T暫存器檔案、CAM和數字CIM陣列），已被開發用於收集瞬態片上資料，從而將CMOS元件的能量延遲提高一個數量級。”Bhavnagarwala認為。“這種改進可以在不改變工作電壓或CMOS工藝的情況下進行。收集片上瞬態資料也會對其他設計指標產生有利影響，例如在存在顯著MOS器件變化的情況下訊號開發的不確定性。與從環境源收集能量的傳統技術不同，資料收集方法和電路不必僅限於低功率密度應用，如跟蹤器或感測器網路。從邊緣的能源匱乏裝置到資料中心的加速器和網路硬體，這些器件可以為廣泛的處理器提供動力。
