四大能量收集技术助力突破物联网设备供电困境
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2021-11-20 13:16
长期以来，物联网所形成的巨大市场和数以十亿计的庞大设备数量已经逐渐为人们所熟知。同时，可移动的物联网设备正在变得越来越多，有线电源也并非长久之计。随着物联网市场的持续蓬勃增长，设备的供能方式、电池问题正在成为新的挑战。
试想一下，假设我们拥有10亿台物联网设备，每台设备的电池寿命达到3年，这就意味着平均每天需要更换近100万个电池，带来成本压力、环境危害等诸多问题。那么有没有什么新的供能方式，可以纾缓这一现象？
通过本文，您将了解到太阳能、机械能、热能、射频的能量收集技术，以及对应方案下现有的一些应用，为物联网设备供能问题提供可靠参考。
“众所周知”的太阳能收集
有光的地方就有能量，光伏能量（太阳能）正在得到广泛应用。同时，很多光伏技术不断取得进展，如大型太阳能光伏板，还有在计算器等产品中使用的小型光伏电池。
此外，有机太阳能电池技术也有望在未来实现商用，提供同等甚至更佳的性能。部分新材料还具备柔性基板、可定制形状等特性，能够定制印刷到柔性塑料或其他材料上，以便在现有工业设计上添加新的光伏组件。
通过太阳能收集到的能量多少与光照强度、光伏材料等多种因素有关。不同技术在不同光照水平下从单位面积收集到的能量值是不同的，材料的价格也有差异。因此，光伏能量的收集需要考虑所处的光线环境、可用面积、预算限制等。
“历史悠久”的机械能量收集
小型计算器是人们非常熟悉的一种电子产品，但鲜为人知的是，早在100年前，当时的“计算器”——加法机，就已经开始依靠机械能量收集进行运转。
在机械能量收集中，我们通过机械运动使磁极在线圈中移动，形成能量爆发，继而捕捉这些能量，用于无线传输等。借助以运动来收集和释放能量的机制，我们可以使能量随产随用，而不是储存在电池中。
不过机械能量收集必须拥有对应的收集元件。一个元件往往需要3平方厘米大小，高度可以少于1厘米。如何整合元件以满足设备的能量需求，这是我们需要充分考虑的。
“略显陌生”的热能收集
热能收集可能是人们不太熟悉的一项技术。在热电设备中，当不同的温度并排放置时，电压随之产生。利用这种温差转化成的电压，我们可以实现对热能的收集。
具体到温差发电器中，我们给发电器的一端加热，另一端保持低温，从而使电路中出现电势差；再借助升压电路升高电压，满足集成电路的运行需求。通过这个原理，Atmosic和一家公司合作开发研发了一款热能收集腕表，能够仅靠收集手腕的热量，完全自主支持基本的手表功能。
需要注意的是，热能收集中我们不仅需要热源，还需要散热器来制造温差。因为热量必须在设备中不断流动，才能产生持续的电流和能量来源。
“因地制宜”的射频能量收集
对于100%占空比的射频源，可获得的最大理论功率随着移动距离增大快速下降。当移动距离超过一米时，在2.4千兆赫的情况下，即使是可获得的原始能量也小于100微瓦，另外还需考虑收集器和储存器的效率。而频段切换到915兆赫时，设备可获得较高的功率收集水平，可以在两三米、甚至五六米外收集能量。
与其他能量收集方式不同的是，射频能量收集还需要考虑各地区的通信法规限制，包括可用频率、最大输出功率等，这些限制切实影响着可收集到能量的大小。例如欧洲这方面的限制要比北美、日本更加严格，以至于通常只能获得比平时更低10db的能量。
作为全球超低功耗物联网（IoT）无线技术的创新者，Atmosic研发了超低功耗射频、射频唤醒和受控能量收集三大创新技术，以实现最低功耗，并彻底降低物联网应用对电池的依赖。例如我们可以在安全标签中应用射频唤醒技术，使其只有在靠近读卡器时才会激活。通过射频的识别唤醒，还可允许设备仅在需要进行能量收集的时候运行；或者依靠将设备放入特制的盒子、或者靠近信号源的方式，让设备在不运行的时候充电。
当然，能量收集并非一种“全有或全无”的技术路线。我们仍然可以将电池技术与能量收集技术结合起来，通过电源管理单元优先使用收集到的能量，持续优化能耗，大幅度延长电池的使用寿命；也可以在某些情况下只使用收集到的能量，完全摆脱对电池的依赖。
Atmosic设计有一款专注于能量收集应用的超低功率蓝牙5.0芯片，具备很多有助降低能耗的特性，比如独立而灵活的唤醒接收器，能够让芯片仅在接收到特定射频讯号时唤醒，从而保持低能耗；以及集成电源管理单元，能够收集和管理多种能量输入，甚至在特定条件下实现电池的“永久”使用。
最后，Atmosic提供的受控能量收集技术为物联网和其他设备的电池、成本问题提供了多种解决方案，可选的能量收集技术种类很多，但它们也并非万能。我们仍然需要深刻理解所处的环境和具体的应用，结合预算、目标等维度，根据条件选择最合适的解决方案。
David Su
作者：Atmosic 首席执行官 David Su
关于Atmosic Technologies
Atmosic Technologies是一家创新型无晶圆厂半导体公司，专注于设计超低功耗无线技术解决方案，包括环境能量收集解决方案，旨在极大减少和消除设备对电池的依赖性，从而实现永久续航和无需电池物联网的发展。随着物联网在个人、家庭、汽车、医疗、工业、企业和智慧城市中的应用越来越广泛，对于物联网设备生态系统中负责部署的设计人员、制造商和最终用户来说，Atmosic的产品可大幅降低物联网的运维成本和工作量。除了这些明显的业务优势之外，Atmosic也致力于通过减少电池消耗，降低物联网对全球整体生态环境的影响。
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