於低功率應用充分運用環境能源

現在是能源採集應用的興盛時期。許多關注都聚焦在美國政府對潔淨能源的投資，以及私人產業對潔淨能源製造、電動車與電池、潔淨發電領域投入 4000 億美元上。ⁱ。 鮮為人知的則是低功耗能源採集應用的新興市場，這些應用可用於物聯網、穿戴式裝置和生物醫療器材 (如植入物)。ⁱⁱ

對高效率、可靠和緊湊的儲能應用的需求，正好凸顯出利用環境能源替代或補充低功率裝置之充電式電池的潛力。這種能源採集應用有望無限期運作，且無需更換電池，因此可大幅減少生態廢棄物。

採集到的太陽能可以供電給穿戴式裝置、通訊裝置、遠端或難以觸及的感測器，以及在零售、工業和住宅環境中的各種智慧裝置。設計人員也可以利用其他環境能源，包括溫度變化、動作、振動、無線電波和聲音。

克服設計難題

在設計行動、遠端和無人看守的裝置時，尺寸和電源管理是關鍵的難題。在許多情況下，無線連線也同樣具有挑戰性。然而，對必要的電子元件進行整合與小型化已持續有所進展，因此開發人員能縮小裝置的佔用空間並達到最佳化成本。

找出合適的能源並達到功耗最佳化是成功開發應用的關鍵因素。外形尺寸和美學上會有很大的差異，視預期的環境和用途而定。

消費性裝置必須具有外觀吸引力並符合高標準的可用性，才能在市場上成功。工業和遠端裝置在美觀性和消費者操作便利性上較不受影響，但可能要達到更高水準的功能性和互通性。

要實作低功率設計，主要取決於是否找到合適的組件和軟體，以將能源消耗降至最低。此外也取決於是否能從能量來源達到最大的電力擷取。理想情況下，應用可以採集的能量會比消耗的多，以便達到完全的能源自主。

高效能的能源採集 PMIC

Nexperia 提供的電源管理積體電路 (PMIC) 可持續運用環境電源。NEH2000BY (圖 1) 能讓裝置在無損能效率的情況下達到高效能，因此可解決典型的能源採集取捨問題。

圖 1：Nexperia 的 NEH2000BY PMIC 經過最佳化，能讓低功率裝置採集環境能源。(圖片來源： Nexperia)

Nexperia 的 PMIC 使用自適應演算法進行最大功率點追蹤 (MPPT)，可從環境能源達到最佳化能量轉移，並確保達到高轉換率。 NEH2000BY MPPT 演算法無需預先編程即可自主運作，可達到高達 80% 的最佳平均轉換效率，並可在 0.5 秒內適應變化。

MPPT 對於鑽研或探索太陽能面板和風力渦輪機最佳化的開發人員來說一定相當熟悉，但也可用於採集其他環境能源 (如熱、振動和無線電訊號) 的應用。MPPT 會持續監測電壓和電流，以判定最佳化功率並調整負載，讓輸出配合應用需求。

NEH2000BY 採用「爬山 (hill-climbing)」演算法，可適應不斷變化的環境，且無論能量波動為何，都可確保達到最高效率。PMIC 針對光電應用進行最佳化，可搭配多種採集器裝置運作，其可利用 2.5 V 至 4.5 V 的儲能元件電壓運作，並可相容於多種充電電池以及無電池的設計。

Nexperia 的 PMIC 能讓設計人員利用整合式、高效率、低功率的 DC-DC 打造應用，無需添加轉換器和笨重的外部電感。只需要一個外部電容，因此能簡化印刷電路板 (PCB) 的佈局，並可縮減應用的物料清單。

根據 Nexperia 的資料，PMIC 採用 3 x 3 mm 散熱增強型塑膠超薄方形扁平封裝 (HWQFN)，總組裝面積僅有 12 mm。因此能讓採集設計比現有解決方案小 20 倍。

公版設計平台

產品設計人員可以透過 Nexperia 和 Ambiq 合作推出的公版設計平台，對能源採集應用進行原型設計和測試。

Ambiq 的 harvestKIT AMA3BHARV1 (圖 2) 結合 Nexperia NEH2000BY PMIC 架構的 Click 模組、Ambiq 的 Apollo3 Blue SoC，以及TDK InvenSense 和 Bosch Sensortec 的低功率 1.8 V 客製化 Click 感測器模組。

圖 2：Ambiq 的 harvestKit AMA3BHARV1 具有採用 Nexperia 能源採集 PMIC 的 Click 模組並搭配運動和環境感測器模組。(圖片來源：Ambiq)

harvestKIT 可提供 Nexperia 的能源採集，並具有微機電系統 (MEMS) 動作感測器和環境感測器。Apollo3 Blue SoC 整合低功耗藍牙 (BLE) 5。額外的擴充插槽可以支援其他感測器和連線模組，例如 Wi-Fi 或顯示器。

這些組件可針對結合低功率能源採集與溫度、濕度、動作、壓力監測等輸入的應用進行驅動。

開發人員可以利用公版設計開發一系列原型，就可透過能源採集來延長電池續航力，或者納入超級電容或其他儲能元件，就無需使用電池。

Apollo3 Blue SoC 利用 Ambiq 專利的次臨界功率最佳化技術 (SPOT) 來管理採集的能量，並可有效運作低功率應用。公版平台的韌體會將原始感測器數據傳送到手機、平板電腦或 PC 上執行 Chromium 網路瀏覽器的網路應用程式。

結論

Nexperia 的 PMIC 針對下一代的節能應用提供極具吸引力的設計選擇。利用太陽能並整合先進的感測器模組，開發人員就可打造創新的解決方案，從而大幅延長電池續航力，甚至有可能從此拋棄電池。Nexperia 與 Ambiq 一同在 harvestKIT AMA3BHARV1 公版設計上一同合作，可針對尖端、低功率的管理和處理應用提供一個原型設計和測試平台，並可滿足對永續、高效電子裝置日益增長的需求。

[i] https://www.whitehouse.gov/briefing-room/blog/2024/07/01/building-a-thriving-clean-energy-economy-in-2023-and-beyond-a-six-month-update/

[ii]https://link.springer.com/article/10.1007/s13246-024-01382-4