如何以及何時使用能量采集技術為大規模物聯網供電
發布時間：2022-6-24 10:07
發布者：eechina
|
來源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard 隨著 5G 技術的推廣，使得工業 4.0 無線傳感器網絡、智慧物流、智慧城市、智能農業和其他大規模物聯網應用實現了爆炸式增長。在這一過程中設計者獲得了獨特的機會，讓他們能夠重新考慮網絡架構的方方面面，包括新范式電源。 為數十億無線節點提供可擴展、可靠的電源是極具挑戰性的。如果不解決這一問題，將阻礙大規模物聯網的推廣普及。僅使用更多的電池是不夠的。在越來越多的情況下，電池將得不到補充或者被淘汰。取而代之的是，需要采用各種形式的能量采集 (EH) 技術為大規模物聯網提供電力。EH 技術在不斷進步，使其在大規模物聯網設備供電方面成為越來越有吸引力的選擇。這對設計者來說無疑是幸運的。 本博客簡述了為數十億個大規模物聯網無線節點供電時所面臨的挑戰，以及在確定 EH 技術是否能提供一種可行的解決方案時需要考慮的一些因素。然后，介紹 EM Microelectronic 和 Nowi 的能量采集電源管理 IC 以及加快對大規模物聯網中 EH 技術評估所需的開發環境。 在確定如何為大規模物聯網節點供電時要考慮以下五個因素： · 數據速率 · 傳輸范圍 · 延遲 · 工作環境 · 環境影響和管理/后勤 數據速率、傳輸范圍和延遲會影響節點的峰值和平均功率需求，且取決于所采用的無線通信協議。例如，當使用低功耗藍牙技術時，一個 10 cm 見方的光伏板可以支持數據包定期傳輸，大致數據如下： · 在零售店的室內照明水平下：1 次 / 100 ms · 在典型辦公環境的照明水平下：1 次 / 200 ms · 在倉庫和工廠的照明水平下：1 次 / 2 s 工作環境也會影響電池的適用性和成本。在如零售店或辦公室等相對良好的環境中，價格較低的電池可以達到合理的工作壽命，使 EH 技術的成本相對較高。如果無線節點部署在惡劣的工業或戶外環境中，就需要更昂貴的化學電池，使得 EH 技術相對更有吸引力。 環境影響和管理問題也是考慮因素。原電池的壽命有限，這會增加電池更換次數，從而增加維護和管理/后勤成本，最終由于處理廢舊電池而影響環境。為了解決如此眾多的問題，設計者可以從以下幾個支持 EH 技術的電源架構中選擇： · 主電池供電，輔以 EH 技術延長電池壽命。保持電池供電優勢，同時減少不利影響 · 充電電池與 EH 技術相結合，實現更長的使用壽命，無需再更換電池 · 電容器或超級電容器與 EH 技術相結合，實現無電池系統和最長使用壽命 EH 技術控制器和電源管理 IC 對于那些可以從組合式電源管理 IC (PMIC) 和 EH 控制器獲益的應用，設計者可以轉而采用 EM Microelectronic 的 EM8500 。該 PMIC 為 EH 源提供最大功率點跟蹤 (MPPT)，為不同的系統功能提供四個獨立的輸出電壓（圖 1）。該產品可與各種 EH 技術對接，包括熱電發電機 (TEG)、微瓦 (μW) 至毫瓦 (mW) 范圍的光伏電池。EM8500 可與一次或二次電池、傳統電容器或超級電容器組合使用。EM8500-A001-LF24B+ 型器件采用 4 x 4 mm 24 針 QFN 封裝。 
圖 1：EM8500 PMIC 包括 EH 源的 MPPT，并為系統提供四個輸出電壓。（圖片源：EM Microelectronic） EM8500 開發套件 設計者可使用 EMDVK8500 開發套件來配置和評估 EM8500（圖 2）。該開發套件包括配置 EM8500 所需的軟件、測量由此構的建解決方案性能的工具。
圖 2：EMDVK8500 可以配置 EM8500 PMIC 并測量由此構建的解決方案的性能。（圖片源：EM Microelectronic） EH 控制器 IC 和評估板 對于不需要完整的電源管理解決方案的設計，Nowi 的 NH2D0245 是一款具有 MPPT 算法的緊湊型高性能 EH 控制器，用于低功耗應用，采用 16 引線、3×3 mm QFN 封裝（圖 3）。NH2D0245 可用于各種 EH 源，包括光伏、電感和壓電，以及可充電電池或超級電容器等儲能器件。MPPT 算法的運行獨立于具體的能量采集器，能夠以 1 秒的時間間隔檢測最大功率點，從而在動態環境中最大限度地提高效率。
圖 3：NH2D0245 EH 控制器具有 MPPT 算法功能，采用 3 mm 方形 QFN 封裝。（圖片來源：Nowi） NH2D0245 評估板是為了加快測試 NH2D0245 的性能和功能而設計的（圖 4）。要使用這款評估板，需要一個能量采集器、一個電池或超級電容器以及萬用表。如果使用如壓電采集器等具有交流 (AC) 輸出的能量采集器，必須在能量采集器和評估板的直流 (DC) 輸入之間添加整流器。
圖 4：NH2D0245 評估板可以加快對 EH 控制器的功能和性能的測試。（圖片來源：Nowi） 結論 隨著促成大規模物聯網的 5G 技術的推出，為設計者帶來了令人興奮的挑戰和機會，能夠重新考慮無線節點的供電方式。我們必須考慮各種技術、環境和經濟因素，以確定每個應用的最佳電源架構。我們必須使用各種基于 EH 的方法來提高電池的能力。在許多情況下，EH 將與一次或二次電池、傳統電容器或超級電容器組合使用。 |
網友評論