【導讀】人們常提議利用環(huán)境能量采集技術(shù)為遠程物聯(lián)網(wǎng)設備的電池充電，但這種技術(shù)尚未普及。本博客探討了導致這一情況的原因，并介紹了Nexperia（安世半導體）的創(chuàng)新型電源管理集成電路(PMIC)，該集成電路將從根本上提高能量采集的可行性，且環(huán)境效益顯著。
人們常提議利用環(huán)境能量采集技術(shù)為遠程物聯(lián)網(wǎng)設備的電池充電，但這種技術(shù)尚未普及。本博客探討了導致這一情況的原因，并介紹了Nexperia（安世半導體）的創(chuàng)新型電源管理集成電路(PMIC)，該集成電路將從根本上提高能量采集的可行性，且環(huán)境效益顯著。
對于許多遠程物聯(lián)網(wǎng)設備而言更換電池無甚意義
包括物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境傳感器、智能標簽和電子貨架標簽在內(nèi)，許多便攜式或遠程設備的用例最終都有一項成本必須由終端客戶承擔，主要原因是電池更換。
在擁有成百上千個傳感器或 ESL 的大型系統(tǒng)中，適當更換、回收或處理耗盡的電池需要耗費大量的人力和物力。這對此類技術(shù)的采用產(chǎn)生了負面影響。因此，為了盡量減少更換電池的次數(shù)，用戶別無選擇，只能接受這些設備提供的較低性能水平。例如，工廠或智能樓宇運營商可能會對傳感器進行編程，使其每小時只提供一次環(huán)境溫度讀數(shù)，而不是更有規(guī)律地提供讀數(shù)，從而最大限度地延長設備在睡眠模式下的時間，幫助最大限度地減少對電池的消耗。然而，在其他便攜式應用中，犧牲性能不被接受，例如電視遙控器，在其使用期限內(nèi)不可避免地需要多次更換電池。
此外，電池處置不當還會對環(huán)境造成嚴重影響。例如，歐盟歐洲統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)（廢物統(tǒng)計 - 回收的電池和蓄電池，2023年1月）顯示，2020 年售出的便攜式電池和蓄電池約為 22.9 萬噸，而回收利用的僅有約 9.9 萬噸。這些設備會產(chǎn)生大量有害廢物，通常被丟棄在有害垃圾填埋場，對環(huán)境造成威脅。
由于固有缺陷能量收集裝置尚無法取得成功
通過能量采集技術(shù)收集環(huán)境能量并將其用于電子設備供電有望攻克這些限制。能量采集量大于消耗量的應用可以實現(xiàn)完全的能量自主，但到目前為止，有兩個主要因素限制了其應用。首先，現(xiàn)有產(chǎn)品尺寸較大，材料成本高。這些產(chǎn)品使用 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，附帶一個體積龐大且價格昂貴的電感器，然而，這樣的設計存在問題，因為許多物聯(lián)網(wǎng)設備的外形尺寸無法容納電感式開關(guān)轉(zhuǎn)換器。其次，由于環(huán)境能量的可變性（如光照強度的波動），這些解決方案需要復雜的定制才能達到最佳功率轉(zhuǎn)換效率，也就意味著應用并非易事。
Nexperia的能量采集 PMIC可將板面積縮小達 20 倍
圖 1 顯示的是 Nexperia 的 NEH2000BY 高性能 PMIC，它可以利用從環(huán)境中采集的能量為電池充電。該 PMIC 專門為光伏(PV)采集器進行了優(yōu)化，但可以與符合其輸入電壓范圍的任何其他采集器集成。針對特定應用，NEH2000BY 會采用自適應算法，以優(yōu)化將采集的能量轉(zhuǎn)移至電池的方式。這樣，設計人員可以在不影響性能的前提下，開發(fā)出在使用壽命內(nèi)無需更換電池的物聯(lián)網(wǎng)設備。
這種獨特設計的另一個顯著優(yōu)點在于，它僅使用了三個微小的外部電容器，而沒有使用電感器。這大大簡化了 PCB 設計，同時顯著減小了板尺寸和 BOM 總成本——總組裝面積僅為 12mm2。此外，這使得能量采集設計更加簡單明了，尺寸較現(xiàn)有解決方案縮小 20 倍，而且無需針對個別應用進行手動優(yōu)化。
圖1. PV 能量采集應用中的 NEH2000BY PMIC
最大功率點跟蹤算法適合各種應用
為更大限度地提高轉(zhuǎn)換效率，能量采集系統(tǒng)中使用的功率轉(zhuǎn)換必須能夠適應環(huán)境能量的波動。這意味著，日常采集的能量主要取決于系統(tǒng)找到最佳功率轉(zhuǎn)換配置的速度。NEH2000BY 可自動運行，無需預先編程，并會執(zhí)行最大功率點跟蹤(MPPT)，以實現(xiàn)高達 80% 的最佳平均轉(zhuǎn)換效率。這種獨特的 MPPT 算法不僅速度快，而且精度高，讓PMIC能夠在 1 秒鐘內(nèi)適應環(huán)境變化。這比目前可用的任何解決方案都快得多，并可以大幅提高一天內(nèi)采集到的能量，從而大大擴展了其應用領(lǐng)域。
環(huán)境效益顯著
NEH2000BY 能夠在功耗低至幾微瓦的應用（包括無線物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點、可穿戴智能標簽和電子貨架標簽）中，從各種環(huán)境源采集能量，以幫助節(jié)約成本。此外，那些應用將不再需要更換電池或者無需電池，從而可顯著減少有害廢物的產(chǎn)生，帶來巨大的環(huán)境效益。NEH2000BY 采用 16 引腳 3 mm × 3 mm QFN 封裝，工作溫度范圍為 -40℃ 至 +85℃，它有望徹底改變遠程物聯(lián)網(wǎng)設備的能量采集。
Nexperia (安世半導體)
Nexperia（安世半導體）總部位于荷蘭，是一家在歐洲擁有豐富悠久發(fā)展歷史的全球性半導體公司，目前在歐洲、亞洲和美國共有15,000多名員工。作為基礎半導體器件開發(fā)和生產(chǎn)的領(lǐng)跑者，Nexperia（安世半導體）的器件被廣泛應用于汽車、工業(yè)、移動和消費等多個應用領(lǐng)域，幾乎為世界上所有電子設計的基本功能提供支持。
Nexperia（安世半導體）為全球客戶提供服務，每年的產(chǎn)品出貨量超過1,000億件。這些產(chǎn)品在效率（如工藝、尺寸、功率及性能）方面成為行業(yè)基準，獲得廣泛認可。Nexperia（安世半導體）擁有豐富的IP產(chǎn)品組合和持續(xù)擴充的產(chǎn)品范圍，并獲得了IATF 16949、ISO 9001、ISO 14001和ISO 45001標準認證，充分體現(xiàn)了公司對于創(chuàng)新、高效、可持續(xù)發(fā)展和滿足行業(yè)嚴苛要求的堅定承諾。
（文章來源：安世半導體，Rodrigo Mesquita，能源收集產(chǎn)品的業(yè)務營銷經(jīng)理）
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