用环境电源为物联网供电用环电源为物联网供电用环境电源为物联网供电用环境电源为物联网供电.doc

物联网 (IoT) 代表着智慧型装置形成高度互连网的愿景，可彼此交换资料，无需人为介入，并且涵盖所有智慧型装置环境的各个层面。 如何为这些装置供电依然是重大挑战，但能源采集方案就是一个不错的方法。 透过目前可用的能源传感器和 IC，工程师能打造零功率的智慧型装置，藉此解决 IoT 演进时所面临的电源挑战。 　　 IoT 能将网际网路的涵盖范围延伸到与机器互动的个别嵌入式装置，透过智慧型手机、平板装置与电脑将原本熟悉的使用者网路典范进一步拓展。 与使用者系统不同的是，透过 IoT 连接的嵌入式装置必须仰赖本身的电力才可持续运作，且势必没有使用者会负责监控是否有电力、更换电池或将装置插头插入电源插座。 　　 在众多情况下，IoT 装置预计可操作数年之久，寿命超越能提供足够操作电力的最先进电池技术。 此外，这些嵌入式装置的许多智慧型感测器应用皆仅需相当少的元件（图 1），即可将感测器数据无线传送到其他智慧型装置与上游伺服器。 　　 　　Texas Instruments 的 IoT 典型无线感测器节点　　 图 1：在概念上，IoT 的典型无线感测器节点是一种结合 MCU 与子系统的简易型装置，可用於感测器和无线连线。 对於预期要在无人看守下运作数年之久的 IoT 装置而言，系统电力仍然是一大挑战（资料来源：Texas Instruments）。 　　 超低功率元件以及特殊元件的问世，让工程师得以从环境电源取得足够电力，并为系统供电（图 2）。 所谓的「零功率」系统能从环境中撷取并储存足够的能量，因此无需终究要替换的传统电池。 　　 　　Texas Instruments 的能源采集功率子系统　 图 2：对於 IoT 而言，能源采集功率子系统能从环境电源中撷取电力，并符合峰值功率需求，并且具有长效储能装置，能达到多年的无人看守操作。 　　 即便工业和运输产业中有许多 IoT 应用能透过太阳能供电运作，但仍有许多应用深藏在此受监控的环境中，照射不到阳光。 在绝大多数个人健身应用中，智慧型感测器皆隐匿在鞋子、衣服和配备中。 健身应用以及在消费性、零售、医疗与其他产业的相似应用，皆须透过振动、温度差异以及周遭越来越普及的无线能量来源 RF 讯号，才能撷取足够的电力。 　　 无论环境能量的类型为何，设计人员面临的一大挑战就是，在打造能撷取最大电力的能源采集电源供应器时，能源本身的能量输出可能会经常大幅变动。 压电装置等能量传感器能将振动能量转换成电压输出，并可在振动来源的共振频率操作下，以及符合压电输出阻抗的负载操作下，提供最大的能量。 实际上，为了确保达到最大能量转换，设计人员需要将各类传感器的典型操作特性纳入考量，以便在理想的最大功率点下确实产生最大功率（图 3）。 　　 　　Cymbet 的太阳能电池　　 　　Cymbet 的恒定阻抗传感器　　 图 3：为了获取最大电力，设计人员须考量传感器的功率输出曲线，因其容易受到可变电阻传感器（如太阳能电池 (a)）以及恒定阻抗传感器（如热电发电机和压电装置 (b)）的影响。 　　 让复杂性更加剧的是，功率子系统需提供电源管理功能，以便有效率供电给负载，同时有效率地管理储能装置的充电和保护需求。 常用於此类应用的锂离子储能装置需具备精准控制功能，才可避免欠压或过压情况，否则会导致储能装置永久受损。 　　 基於这些众多需求，理想的能源采集电源供应器本身就会成为高度复杂的系统，才能以最佳方式从复杂的环境能源（如振动）撷取最大能量，且需内建精密的负载反应式电源管理功能（图 4）。 在此例中，传感器输入级使用最大功率点追踪 (MPPT) 技术因应共振频率的变动，以便将传感器维持在理想的操作状态。 在输出级方面，电源管理功能会维持储能装置并且回应不同的电力需求。 无线通讯对这些应用施加庞大的电力负载。 将通讯工作周期降至所需的最低程度後，储能装置就可提供足够的电力，既符合周期性电力尖波需求，并可及时重新充电因应下次的峰值要求。 　　 　　理想的能源采集电源供应器　　 图 4：理想的能源采集电源供应器可确保传感器维持在可达到最大能量输出的操作状态，而且以最佳方式同时符合储能装置以及下游负载的需求（资料来源：Next-Generation Energy-Harvesting Electronics、英国工程暨物理科学研究委员会）。 　　 对 IoT 装置设计人员而言，特殊元件的推出，在打造可满足上述绝大多数需求的精密能源采集功率子系统时，能减少相关挑战。 特殊元件如 Maxim Integrated 的 MAX17710，就具备这些应用所需的超低功率操作，以及储能和负载管理所需的整合式精密电源管理功能。 MAX17710 跟其他一些同类元件一样，皆整合升