随着各组织追求数字化转型，物联网部署继续取得进展，各种形式的智能生活是提高生活质量和可持续性的关键。

物联网端点往往是传感器，或者不太频繁地是与聚合设备或互联网网关无线连接的执行器。它们通常大量部署，在智能城市、智能工厂或智能农业等场景中，它们分散在一个大的地理区域。进行现场维护（如更换放电的原电池）的成本通常过高。此外，废弃电池构成了越来越难以接受的环境负担。

在设计端点时，工程师可以通过安排足够的能量供应以维持设备的预期寿命来避免电池更换的需要。这可能需要几年。由于尺寸限制，通常需要硬币单元形状因子。如果储存的能量低于系统要求，则可以选择安装更大的电池。

另一种选择是重新设计电路，以将总系统能量需求降低到可用电池存储量以下。任何一种方法或两者的结合都可能无法达到目标。

微瓦或毫瓦量级的微能量收集可以提供从周围环境捕获的有用且潜在的取之不尽的电能供应。这可以根据应用和可用的环境能量来补充或替换原电池。收获和转换的能量可以直接为电路供电。另一方面，将能量存储在缓冲器中直到需要时，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。在物联网端点的各个子系统中，无线电对能源的需求最大。分析这里的需求，为能量收集系统的设计和集成提供信息，是很有指导意义的。

无线电子系统功耗

选择最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是至关重要的。

如果传感器与聚合器或网关（例如连接到互联网或通过本地电信交换机的集线器或路由器）仅相距很短的距离，则根据所需的数据速率以及成本限制，诸如蓝牙、Zigbee或Wi-Fi的技术可能是合适的。在其他情况下，例如端点分布在地理上较大的区域，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、典型最大范围和相对成本。

Figure 1 - comparison of IoT technologies - Behrtech
图1。比较流行的物联网无线通信技术。（来源：BehrTech公司).

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，无线子系统的功耗从150µW到400mW不等。

Figure 2 - power consumption of various IoT technologies - Voler Systems
图2:数据速率、带宽和功耗之间的比较。（来源：Voler系统.)

为了充分了解对系统总体能源需求的影响，还需要考虑占空比。智能电表等应用程序每天或每隔几天发送几次小数据包。其他设备，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，可以通过在传输之前在系统内本地过滤数据来减少占空比；相机可以配备有运动传感器，以仅在检测到活动时开始记录，或者嵌入式图像处理可以丢弃不感兴趣的数据。当然，过滤数据所需的能量必须与通过减少占空比节省的能量进行比较，以确保净效益。

环境能源

在了解了无线子系统所需的能量和功率之后，可以评估合适的环境源和微能量收集技术。

适合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）的珀耳帖装置。通过贴片或线圈天线捕获的射频能量源往往不适用于除最节俭的物联网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。使用这些信息，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。

Figure 3 - power density of harvested ambient energy sources - Trameto
图3。收获的环境能源的功率密度。

35-40cm太阳能电池2.假设效率约为20%。这些产品每台售价不到1美元，而压电收割机通常至少要贵一个数量级，产生的能量也更少。众所周知，太阳能电池在室内使用时效率较低。然而，最近引进了一些室内太阳能收割机，声称能为低功率无线电提供足够的输出。

将所有这些都汇集在一起

利用这些进步，微能量收集可以被视为减少或消除物联网端点中电池的解决方案。由于能源本身通常是不规则的，并且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）。如图4所示，需要一个能量采集功率管理IC（EH PMIC）来处理来自采集子系统的能量，管理提供给能量缓冲器的电荷，并在需要时为负载供电。各种能量收集技术具有不同的电气特性。热电收割机在低电压和低阻抗下产生连续的直流电流。虽然太阳能电池也会产生低直流电压，但电流和阻抗会随着光照水平的变化而变化。

Figure 4 - Trameto EH PMIC
图4。EH PMIC处理能量缓冲器的充电并为应用程序供电。

当今市场上典型的EH PMICS具有固定的架构和输入电压范围，设计用于特定类型的收割机。如果仅一个源不能满足系统要求，这就排除了使用替代收割机来捕获额外的环境能量。因此，如果需要多个能源，则每个能源都需要一个专用的EH PMIC。这增加了系统成本、尺寸和功耗，也会使设计复杂化。

一些EH PMIC可以使用外部电路进行修改，以调节能量采集器的输出。然而，为了简化系统设计，Trameto的EH PMIC（称为OptiJoule）提供了自动适应各种类型的连接收割机的输入，并在不需要外部电路的情况下最大化向缓冲器输送的功率。版本可用于单个输入或最多四个输入。多输入版本具有连接类似或不同类型收割机的灵活性。因此，使用OptiJoule设备，可以扩展微能量收集能力，将单个PMIC用于多种应用，甚至可以将能量收集技术的选择推迟到产品开发后期（如果需要）。

结论

通过优化无线电协议、低能耗微处理器设计、低功耗传感器和微能量收集效率的提高，环境能源已成为一种可行的来源，有助于减少或消除对电池的依赖，并延长现场物联网端点的运行寿命。裕利安怡PMIC的最新发展允许在集成选定的微能量采集技术时更灵活地管理规模、成本和复杂性。

Huw Davies - Trameto

胡·戴维斯,首席执行官兼联合创始人 特拉梅托,是一位技术业务领导者，具有全面管理、创始人角色、产品营销、业务开发和销售。他曾在创业公司和跨国公司组织工作。他的经验涉及全球业务发展、运营和财务管理、许可技术转让以及合作研究/商业合作。胡的背景是半导体和消费电子，他在硅谷有丰富的工作经验。他拥有卡迪夫大学的理学学士和博士学位，以及巴斯大学的工商管理硕士学位。