許多無法接入市電的嵌入式系統(tǒng)依賴電池供電，但電池更換不僅會產(chǎn)生維護(hù)成本，還面臨諸多后勤實(shí)施難題。能量收集技術(shù)可為這類系統(tǒng)持續(xù)供電，實(shí)現(xiàn)長期無間斷運(yùn)行。本文將闡釋如何利用能量收集技術(shù)構(gòu)建永久運(yùn)行的嵌入式系統(tǒng)，并總結(jié)芯科科技推出的相關(guān)解決方案。

設(shè)計(jì)面向永久運(yùn)行的能量收集系統(tǒng)

對于嵌入式設(shè)計(jì)工程師而言，能量收集技術(shù)正成為一種切實(shí)可行的供電方案，讓無線傳感器得以應(yīng)用在以往僅靠電池供電無法實(shí)現(xiàn)的場景中。例如，借助能量收集供電，超薄無線傳感器的傳輸距離可突破 100 米，使用壽命能超過 20 年。

能量收集系統(tǒng)的終極設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)永久運(yùn)行，這一目標(biāo)的達(dá)成條件為：系統(tǒng)收集的能量總量達(dá)到或超過其運(yùn)行過程中的能量消耗總量。電源管理是該類系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)，首要步驟是確定能量收集器的可用輸出功率。能量收集器可將太陽能、機(jī)械能、熱能等能量源轉(zhuǎn)化為電能，其中太陽能收集器的功率密度最高，單位表面積的輸出功率可達(dá) 15 毫瓦 / 平方厘米。最大化收集器的輸出功率，是打造高效能量收集系統(tǒng)的關(guān)鍵。

在該類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，工程師需在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需功能的同時(shí)，將功耗降至最低。選擇低漏電器件、采用芯科科技 Si10xx 系列無線微控制器這類超低功耗微控制器，有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體低功耗運(yùn)行。電池供電系統(tǒng)中采用的大多數(shù)低功耗技術(shù)，同樣適用于能量收集系統(tǒng)。

以一款太陽能無線傳感器節(jié)點(diǎn)為例：該節(jié)點(diǎn)每 20 分鐘傳輸一次數(shù)據(jù)，平均發(fā)射電流為 10 微安；白天時(shí)，太陽能電池板可提供 50 微安的持續(xù)輸出電流，因此白天的凈充電電流為 40 微安，而夜間電池的放電電流為 10 微安。經(jīng)計(jì)算，若該系統(tǒng)每天能獲得至少 4.8 小時(shí)的光照，收集的能量即可支撐其實(shí)現(xiàn)永久運(yùn)行。

計(jì)算公式推導(dǎo)：

設(shè) D = 每日光照時(shí)長（小時(shí)）

N = 每日夜間時(shí)長（小時(shí)）

能量平衡條件：收集能量 = 消耗能量

即 40μA × D = 10μA × N

每日總時(shí)長為 24 小時(shí)：D + N = 24

聯(lián)立方程可得：D + 4D = 24 → 5D = 24 → D = 4.8 小時(shí)，N = 19.2 小時(shí)

兩類系統(tǒng)：平衡平均功耗與脈沖式能量收集

能實(shí)現(xiàn)永久運(yùn)行的能量收集系統(tǒng)，根據(jù)能量存儲機(jī)制的不同，大致可分為兩類。

第一類：通過薄膜電池這類低漏電、高容量的儲能器件，實(shí)現(xiàn)能量的長期累積。這類系統(tǒng)通過平衡平均收集能量與平均消耗能量實(shí)現(xiàn)永久運(yùn)行，設(shè)計(jì)靈活性較高，可支持偶爾的高功率脈沖式工作。系統(tǒng)大部分時(shí)間處于低功耗休眠模式，保持通電狀態(tài)并持續(xù)收集能量，前文提到的太陽能無線傳感器節(jié)點(diǎn)便屬于此類。

第二類：系統(tǒng)平時(shí)處于斷電狀態(tài)，直至檢測到能量脈沖后，將能量收集并儲存至電容器這類低阻抗儲能器件中。完成短暫的上電與復(fù)位后，系統(tǒng)利用收集到的有限脈沖能量執(zhí)行指定功能。這類系統(tǒng)通過平衡單次任務(wù)消耗的總能量與單次脈沖收集的能量實(shí)現(xiàn)永久運(yùn)行，無線輕觸式開關(guān)就是典型案例 —— 該設(shè)備利用按壓按鍵產(chǎn)生的機(jī)械能，向燈具端的接收器發(fā)射射頻信號。

多年來，紐扣電池、AA 型鋰電池、鋰亞硫酰氯電池等傳統(tǒng)電池一直被用于長壽命嵌入式系統(tǒng)。薄膜電池的問世，讓工程師能在成本、尺寸與安全性之間做出新的權(quán)衡。盡管價(jià)格低廉的紐扣電池能降低制造成本、縮短產(chǎn)品上市周期，但在產(chǎn)品全生命周期中，電池更換會產(chǎn)生隱性成本。

從終身容量來看，一塊薄膜電池所能提供的總能量，相當(dāng)于多節(jié) CR2032 紐扣電池。在嵌入式系統(tǒng)的整個(gè)生命周期內(nèi)，薄膜電池的初期投入成本，遠(yuǎn)低于多次更換紐扣電池的累積成本。

薄膜電池是所有電池類型中外形最薄的，厚度可低至 0.17 毫米左右，其終身總?cè)萘靠氨?4 節(jié) AA 型鋰電池或 1 節(jié) C 型鋰亞硫酰氯電池，非常適合對空間要求嚴(yán)苛、需要超薄外形且長續(xù)航的嵌入式系統(tǒng)。

此外，薄膜電池還能規(guī)避傳統(tǒng)大容量電池的部分安全隱患，如易燃、爆炸風(fēng)險(xiǎn)。薄膜電池支持充電，且任一時(shí)刻的實(shí)際儲能量僅為其終身總?cè)萘康囊恍〔糠郑虼嗽诙搪贰⒏邷氐葮O端情況下，產(chǎn)生的危險(xiǎn)系數(shù)更低。與常被直接丟棄在垃圾填埋場、難以回收的傳統(tǒng)大容量電池相比，薄膜電池產(chǎn)生的廢棄物也更少，更具環(huán)保性。

參考設(shè)計(jì)加速產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程

功耗仍是電池供電物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的核心設(shè)計(jì)約束，行業(yè)為降低設(shè)備功耗做出了諸多努力，制定了一系列適配能量收集技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)與框架，無線通信領(lǐng)域的 Zigbee 綠色能源標(biāo)準(zhǔn)便是其中之一。

芯科科技與艾睿電子基于芯科 EFR32MG22 片上系統(tǒng)，聯(lián)合開發(fā)了一套能量收集參考設(shè)計(jì)，將 Zigbee 綠色能源輕觸式開關(guān)與能量收集電源管理技術(shù)相結(jié)合。EFR32MG22 專為 Zigbee 應(yīng)用設(shè)計(jì)，封裝尺寸小巧且集成安全功能，非常適合超低功耗終端設(shè)備。芯科科技還推出了 EFP0111 等低功耗電源管理集成電路，為能量收集系統(tǒng)的電源管理提供支撐；同時(shí)提供開發(fā)套件與 Simplicity Studio 集成開發(fā)環(huán)境，助力工程師研發(fā)能量收集系統(tǒng)。

該參考設(shè)計(jì)的核心能量源為機(jī)械能收集器，采用采埃孚雙穩(wěn)態(tài)發(fā)電機(jī)模塊。這是一款雙向開關(guān)發(fā)電機(jī)，意味著按壓和釋放開關(guān)的過程均可產(chǎn)生能量：開關(guān)內(nèi)置一個(gè)兩極磁鐵，按壓開關(guān)時(shí)，磁通量穿過磁芯并回到另一極；釋放開關(guān)時(shí)，磁場發(fā)生變化并沿相反方向穿過磁芯，變化的磁場會感應(yīng)產(chǎn)生可被收集的電流。采埃孚發(fā)電機(jī)在開關(guān)按壓和釋放時(shí)均會產(chǎn)生交流電壓，系統(tǒng)利用這些機(jī)械能為燈具接收器供電，實(shí)現(xiàn)開關(guān)與燈具之間的無布線控制。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的供電能耗較高，無電池供電方案不僅能簡化設(shè)備設(shè)計(jì)，還能降低對環(huán)境的影響。例如，在部分低功耗系統(tǒng)中，讓一顆 LED 燈閃爍一次所需的能量，足以支持多次射頻數(shù)據(jù)包的傳輸。低功耗芯片設(shè)計(jì)與低功耗優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，為電源管理提供了全新思路，同時(shí)能為制造商和消費(fèi)者降低成本、減少廢棄物產(chǎn)生。

高性能、低功耗的電源管理器件

芯科 EFR32MG22 系列片上系統(tǒng)

該系列是專為 Zigbee 應(yīng)用優(yōu)化的器件，適用于智能家居傳感器、照明控制、樓宇與工業(yè)自動(dòng)化等場景，核心設(shè)計(jì)重點(diǎn)為實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能。

EFR32MG22 與 EFR32MG22E Zigbee 片上系統(tǒng)解決方案，均屬于無線壁虎二代平臺。MG22 系列集成了高性能、低功耗的 76.8 兆赫 ARM Cortex-M33 內(nèi)核，并搭載 TrustZone 安全架構(gòu)；MG22E 版本進(jìn)一步提升了能效，可支持更長的電池續(xù)航，甚至適配無電池設(shè)計(jì)。該系列片上系統(tǒng)具備低發(fā)射與接收電流（+6 分貝毫瓦下，發(fā)射電流 8.2 毫安、接收電流 3.9 毫安）、1.4 微安的深度休眠模式，同時(shí)集成低功耗外設(shè)，可完美支持包括綠色能源在內(nèi)的各類 Zigbee 應(yīng)用。

EFP0111GM20 電源管理集成電路

這是一款靈活、高效的多輸出電源管理器件，可為 EFR32 與 EFM32 系列器件提供完整的系統(tǒng)供電，集成三路輸出電壓軌與主電池電量計(jì)量功能。該款升壓啟動(dòng)型電源管理集成電路的工作電壓范圍為 1.7 伏至 5.2 伏，待機(jī)電流低至 150 納安，支持 1.5 伏至 5.5 伏的電池供電，可針對不同化學(xué)體系的電池優(yōu)化供電效率。

Si10xx 系列亞千兆赫無線微控制器

該系列器件將高性能射頻模塊與超低功耗微控制器集成在 5×6 毫米的小巧封裝中，支持 142 兆赫至 1050 兆赫的工作頻段，內(nèi)置先進(jìn)的數(shù)據(jù)包引擎，鏈路預(yù)算可達(dá) 146 分貝。通過降低發(fā)射、接收、工作及休眠狀態(tài)下的電流，并支持快速喚醒，該系列微控制器能為電池供電應(yīng)用實(shí)現(xiàn)能耗優(yōu)化。其中 Si106x 與 Si108x 型號引腳兼容，閃存容量為 8 至 64 千字節(jié)，集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器、雙比較器、定時(shí)器、通用輸入輸出口等高性能模擬和數(shù)字外設(shè)，專為 802.15.4g 智能計(jì)量應(yīng)用設(shè)計(jì)，同時(shí)兼容美國聯(lián)邦通信委員會、歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會、日本無線工業(yè)及商貿(mào)聯(lián)合會等全球主流監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)語

能量收集技術(shù)已成為眾多嵌入式系統(tǒng)的實(shí)用供電選擇，且有望在未來幾年得到更廣泛的應(yīng)用。只要解決了初始上電復(fù)位的相關(guān)難題，設(shè)計(jì)合理的能量收集系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)永久運(yùn)行；通過精細(xì)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能量收集系統(tǒng)的部署壽命可達(dá)到 20 年甚至更久。

薄膜電池憑借超薄的外形與低漏電特性，已成為能量收集系統(tǒng)中替代原電池與可更換電池的常用器件，為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)開辟了全新的應(yīng)用可能。而 EFR32MG22 Zigbee 片上系統(tǒng)、EFP0111GM20 電源管理集成電路、Si10xx 亞千兆赫無線微控制器這類器件，所具備的電源管理與低功耗無線通信能力，能支撐嵌入式系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行，無需頻繁更換電池。