应用解析 | 何谓能量收集？(一)

废弃物与机会

「一个人认为没有用的垃圾，可能对另一个人来说是个宝藏。」电子行业花费大量的工程周期、费用甚至能源来处理「余热」，特别是在数据中心等一些应用，需要大量空间和电力来解决热缓解。本文观点是将此类热源（以及其他能源）视为能量捕获或回收的机会。

针对废弃物的讨论总是围绕在如何才能摆脱它，但如果从潜在能源的角度出发，处理废弃物的可能性和方法发生了彻底变化。无论是在美国还是全球，大约三分之二的原始能源属于「余热」，这实际上代表了一个巨大机会，我们将在本文中深入探讨。

图1-突显「余热」的美国整体能源消耗

源与负载

在之前关于物联网 (IoT) 和工业物联网 (IIoT) 的文章中，我们讨论了在可用能量（例如系统电源）和负载（例如系统功率预算）之间找到适当平衡的重要性，并且重点放在如何减少负载，而不是简单地寻找更大来源。

让我们来快速复习，若能源为分母，系统功率预算为分子，系统生存能力则是这两者的拐点，减少分子的速度比增加分母的速度要快得多。换句话说，当比率 < 1 时，能量收集变得更有能力，而电子设备变得不那么耗电。

图 2-可用功率和系统功率预算的关系

图 3-能量收集中电源与负载的关系

这里的关键点是从技术和经济角度来看，若要让系统，应用可行的话，需仰赖设计人员降低系统功耗和智能电源管理 (IPM) 技术的能力，而不是寻找更大、更密集的电池或更高效的电源转换器。

电池容量大约每十年才会翻上一倍，而集成电路 (IC) 甚至微机电系统 (MEMS) 传感器等设备在提升功能的同时几乎可以每隔一年就将功耗减半，这就证明钻研电源管理比仰赖电池进步更为理想。

何谓能量收集？

能量收集 (EH) 是从我们周围的环境中捕获和转换自由的环境能量。因此，它也被称为「能量清除」。我们可以收集物理提供给我们的每一种能量，包括：

· 太阳能（热能、光伏或PV）；

· 动力学（电动、振动）；

· 热电、压电（机械感应）；

· 射频或射频（近场、远场）；

· 摩擦电（静电）。

任何换能器实际上都是潜在的 EH 源，但本文将重点介绍 EH 应用解决方案。

EH 模态往往根据其原生输出分为 ac 或 dc 的类别。最常见的 dc 类 EH 设备是 PV 和热电设备。最常见的 ac 类 EH 设备是压电、RF 和其他机械动态源，例如振动、涡轮和磁驱动电动换能器。这些能源都有自身的细微差异和挑战，因此要注意电源管理集成电路 (PMIC) 并非万能解药适用所有的 EH 源。

在过去的几十年中，EH 在技术以及实际应用方面有很大的进步。大约在十年前，尤其是在 IoT/IIoT 出现之前，人们对 EH 技术有一些常见的误解。第一个误解是 EH 对任何有用的应用产生的电源都可忽略不计。我们将暂时深入讨论这个问题，因为它与之前的源与负载的讨论非常接近。

另一个误解是 EH 只是一个学术实验，缺乏生产供应链和能够支持大量开发的生态系统。很多 Power IoT 生态系统的组成部分（本讨论稍后会详述）早已存在多年甚至已有几十年，而且在它们出现之前就来自于工业（从新设立的初创公司到最大的半导体公司），直到现在才被广为人知或利用在生态系统之中。

一个成功的 EH 系统会需要 EH 换能器在能量存储（电池管理系统 [BMS]）、电源管理集成电路 (PMIC) 和最佳负载（微控制器、内存、无线电、传感器、显示器等）提供许多技术支持。

可以说这些组件最基本的部分是 PMIC，因为它的本质就如 EH 系统的「大脑」，通过控制 EH 电源提取和电源管理，然后甚至将 BMS 集成一个简单的控制 IC（尺寸几乎都在10 x 10 mm以下）。

德州仪器 (Texas Instruments) 和凌力尔特 (Linear Technologies)（现为亚德诺半导体 Analog Devices）等公司已将 EH PMIC 解决方案投放市场已有大约二十年，但当时还不到 IoT 能快速发展的时候。典型的 PMIC 流程图如下图 4 所示。您现在甚至可以找到现成的 IoT 模块。

图 4-EH PMIC 功能流程图

对 EH 的最大误解是成本，这也是阻碍大众采用 EH 的关键因素。成本评估可能没有那么简单，因为任何类型的成本收益或总拥有成本 (TCO) 分析都高度依赖系统、应用和运作环境。

这样的复杂性而且是针对特定应用的分析是 EH 技术在许多案例中被认为在经济上不可行的主要因素。

一个常见的陷阱是只进行一阶分析来比较采用 EH 技术之前和之后的物料清单 (BOM) 成本。

乍看之下，替换纽扣电池的成本大约< 1 美元（大量），而 EH 成本要几美元。即使已将可持续性、更高的可靠性和自供电部署的好处纳入考虑，选择EH 解决方案似乎仍不太合理。但是我们必须考虑二阶（及更高阶的）成本影响才能进行适当的分析。

虽然详细讨论此类分析会超出本文的讨论范围，但一个简单的衡量标准是更换成本和维护成本。如果需要更换便宜的纽扣电池就需要人力，例如，上门服务或需要特殊设备才能抵达处在恶劣环境的地点，这意味着 BOM 所节省下来的成本优势将不复存在。

在资本支出和运营支出（CAPEX 和 OPEX）方面，使用 EH 技术而省下的额外成本，我们将在下一章节中进一步讨论。请各位持续关注！