使用能源採集供電給大規模物聯網的方法與時機

5G 的推出促使工業 4.0 無線感測器網路、智慧物流、智慧城市、智慧農業和其他物聯網應用的數量激增。在此過程中，也為設計人員帶來一個獨特的機會，可以重新考量網路架構的許多層面，包括新的電源典範。

為數十億個無線節點提供可擴充且可靠的電力是相當具有挑戰的難題。如果不解決，要大規模推出物聯網就會受到阻礙。單純使用更多電池是不夠的。在應用逐漸增加的情況下，電池也會面臨替換或淘汰的問題。有鑑於此，會需要多種能源採集型式，以便針對龐大物聯網中的一大部分進行供電。幸運的是，設計人員享有不斷精進的能源採集技術，因此是針對眾多物聯網裝置供電時頗具吸引力的替代方案。

這篇部落格文章將探討為數十億個龐大物聯網無線節點供電時所遭遇的難題，以及在判斷能源採集是否為可行的解決方案時要考量的一些因素。接著會查看來自 EM Microelectronic 和 Nowi 的能源採集電源管理 IC，以及開發環境，以加快大規模物聯網中的能源採集評估。

決定如何供電給大規模物聯網節點時要考量的五個因素：

• 數據傳輸率
• 傳輸範圍
• 延遲
• 操作環境
• 環境影響和管理／物流

數據傳輸率、範圍和延遲都會影響節點的峰值和平均功率需求，此外也取決於採用的無線通訊協定。例如，使用低功耗藍牙時，10 平方公分的光電 (PV) 面板就可支援數據封包的週期性傳輸，大致週期如下：

• 在零售商店的室內照明亮度下，每 100 毫秒一次
• 在典型辦公環境的照明亮度下，每 200 毫秒一次
• 在倉庫和工廠的照明亮度下，每 2 秒一次

操作環境也會影響電池的適用性和成本。在零售商店或辦公室等相對良好的環境中，不貴的電池就可以提供合理的使用壽命，因此能源採集就會顯得成本較高如果無線節點部署在惡劣的工業或戶外環境中，就需要更昂貴的電池化學，因此能源採集就較具吸引力。

環境的影響和管理問題也必須納入考量。一次電池的使用壽命有限，因此電池替換的次數也會增加，進而提升維護和管理／物流的成本，進而導致電池棄置時對環境的不良影響。為了解決這些問題，設計人員可以在幾種支援能源採集的替代電源架構中挑選：

• 一次電池電源搭配輔助能源採集，即可延長電池續航力，不僅保有電池電源的優勢，同時還可減少負面影響
• 充電電池搭配能源採集，即可提供更長的使用壽命且不需要替換電池
• 電容或超級電容搭配能源採集，即可提供免電池系統和最長的使用壽命

能源採集控制器和電源管理 IC

若應用可享受綜合電源管理 IC (PMIC) 和能源採集控制器帶來的優勢，設計人員就可以使用 EM Microelectronic 的 EM8500。此 PMIC 能針對能源採集來源提供最大功率點跟蹤 (MPPT)，並為多種系統功能提供四道獨立的輸出電壓 (圖 1)。可以介接多種能源採集技術，包括熱電發電機 (TEG)，以及 μW 至 mW 等級的光伏電池。EM8500 可搭配一次或二次電池、傳統電容或超級電容使用。EM8500-A001-LF24B+ 型號採用 4 x 4 mm 24 引腳 QFN 封裝。

圖 1：EM8500 PMIC 含有能源採集來源的 MPPT，並為系統提供四道輸出電壓。(圖片來源： EM Microelectronic)

EM8500 開發套件

設計人員可以使用 EMDVK8500 開發套件來配置和評估 EM8500 (圖 2)。此開發套件含有 EM8500 配置所需的軟體，以及測量最終解決方案效能的工具。

圖 2：EMDVK8500 可以配置 EM8500 PMIC，並測量最終解決方案的效能。(圖片來源：EM Microelectronic)

能源採集控制器 IC 和評估板

若設計不需要完整的電源管理解決方案，Nowi 有提供 NH2D0245；此緊湊型高性能能源採集控制器具有 MPPT，適用於低功耗應用，採用 16 引腳、3 × 3 mm QFN 封裝 (圖 3)。NH2D0245 可搭配多種能源採集來源運作，包括 PV、電感和壓電，以及充電電池或超級電容等儲能裝置。MPPT 演算法的運作不受特定能源採集器的影響，並可以 1 秒的間隔偵測最大功率點，在動態環境中發揮最大效率。

圖 3：NH2D0245 能源採集控制器含有 MPPT，採用小型 3 mm2 QFN 封裝。(圖片來源： Nowi)

NH2D0245 評估板的設計可加快測試 NH2D0245 的效能和特性 (圖 4)。要使用此評估板，需要能量採集器、電池或超級電容以及三用電表。如果使用具有 AC 輸出的能源採集技術 (如壓電採集器)，就必須在能源採集和評估板的 DC 輸入之間添加整流器。

圖 4：NH2D0245 評估板可以加快測試能源採集控制器的特性和效能。(圖片來源：Nowi)

結論

5G 促成大規模物聯網的推出，不僅為設計人員帶來引領期盼的商機，也帶來挑戰，必須重新思考無線節點的供電方式。有眾多技術、環境與經濟層面的因素要考量，以判定各個應用的最佳電源架構。必須採用多種能源採集架構作法，以便增進電池的功能。在許多情況下，能源採集將搭配一次或二次電池、傳統電容或超級電容一起使用。