能量收集PMIC的問世，加速了嵌入式電子裝置的開發腳步，而電源管理的精進，能夠讓各種超乎以往想像的電力產生方式來為物聯網裝置供電。能量收集這項技術的創新發展，未來勢必創造出更多物聯網的新應用。
近年來，物聯網(IoT)發展吸引了大量投資，尤其是在機器對機器(M2M)介面技術和大數據處理領域。物聯網指的不僅是透過網際網路(Internet)連接個人電腦(PC)和智慧型手機，還包括數10億「物體」與裝置之間的連接。
然而，如何為這數10億裝置供電是設計工程師目前著力思考的難題，並須要尋求出行之有效的解決方案。儘管傳統電池電源能夠解決供電問題，但必須經過採購、維護和後期處理程序。而且，當裝置安裝在偏遠位置時，更加大了維護電源的難度。
作為替代方案，能量收集技術能夠為遠距物聯網裝置和感測器直接供電，並帶來巨大效益。目前市場上已有幾種可行的技術，大部分已經開始投入部署應用。其中包括能量收集電源管理晶片(PMIC)產品和大量低功耗的微控制器(MCU)，能夠滿足遠距物聯網裝置的供電需求，從而推動物聯網成長。
有了能量收集解決方案，電子系統就能夠在沒有傳統電源的情況下獨立運作。然而，無論這種方案多麼的方便和靈活，能量收集技術還是具有一定的多面性和局限性。能量收集是一個可行的解決方案，但絕不是一個簡單的方案，必須從功率分配的角度精心挑選PMIC產品和能量儲存裝置。此外，能量收集效率也是裝置設計的重要因素。
本文將介紹能量收集、能量儲存和電源管理解決方案的優點、建構以及發展趨勢。
能量收集技術問世 物聯網電源問題有解
能量收集指的是收集環境中容易獲得的少量非傳統能量並將之轉化為電能的過程。獲取的電量可直接使用或儲存下來留作未來使用。對於無法使用本地電網的遠距部署裝置，能量收集解決方案在為各類電子裝置提供可替代電源方面表現出卓越的效果。
所收集的能量可來自於無線電能量、壓電元件的振動動能、壓力能或是光電電池的光能。接著，將收集到的能量轉化為電能，並儲存在耐用儲存電池中，如電容器。能量收集系統通常包括用於產生或獲取能量的電路，以及配有用於電源管理和保護的附加電路的儲存裝置。
能量收集技術應用不僅限於延長物聯網裝置的電池壽命，還可以當作工業、商業和醫學應用的替換電源，例如可穿戴電子產品、可植入裝置、遠程腐蝕監測和結構檢測等。
物聯網裝置維運 有賴能量收集供電
物聯網發展已經成為最具潛力、利潤最豐厚的市場機遇，預測到2020年，將會有超過300億台物聯網裝置。在不久的將來，幾乎每一台裝置，從感測器、儀器、汽車、可穿戴電子產品以及溫度調節器、冰箱等嵌入式系統都將會連接到網際網路。
理想狀態下，這數10億件小型便攜的裝置將連接至無線網路並擁有較長的使用壽命。電池似乎是一個不錯的選擇，但要在小型裝置內安裝電池，通常都不太可行。此外，電池維護和更換的成本也不低。
考慮到需要充足的電源，能量採集將會是解決電池問題的可行方法。實際上，能量收集能夠支撐電子系統依靠環境電源運作好幾年。
認識能量收集基本建構模組
能量收集系統的基本建構模組，通常包括以下幾個部分(圖1)：
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| 圖1 能量收集系統的基本建構模組 |
換能器(Transducer)從不同的電源中獲取非傳統能量，並轉化為電能。典型的換能器包括了光電電池轉化光能、熱電裝置轉化熱能、壓電元件轉化振動動能等等。
例如電池和超級電容器，可用於儲存轉化產生的電能。
電源管理電路由一個穩壓器組成，根據系統的要求進行電源管理。
網羅各式可能電能 海納百川力保電源不絕
如前所述，可以從各種不同的非傳統能量中收集電能，如太陽光、射頻訊號和振動動能等。每一種類型的能量收集都需要電源轉換電路、能量儲存裝置和PMIC元件。
小型太陽能電池含有光電電池，能夠將光能轉化成電能。然而，對室內應用來說，環境光通常不是非常強烈，強度一般約為10μW/cm2。室內系統收集的能量受到太陽能模組尺寸大小、環境光強度及光譜組成的限制。通常來說，太陽能電池收集的電能可以用於電池或超級電容器的充電，從而為裝置提供穩定的電源。如今，此類太陽能電池已廣泛應用於消費者應用和工業應用中，如玩具、手表、計算器、路燈、行動電源和衛星。
壓電換能器受到振動和移動時能夠產生電能。因此，裝置能夠將振動產生的動能轉化為交流電(AC)電壓，交流電電壓經過調整後，向系統提供電力。有多種不同的方法可以收集來自動能的能量。例如用戶按下遙控器按鈕時產生的能量，可以收集起來用於發送一個低耗能的無線電訊號。同樣地，當有人走過時，安裝在地磚底下的壓電換能器也能產生電能，可以為小型顯示幕或緊急燈供電(表1)。
熱電能收集器的工作原理基於塞貝克效應(Seebeck Effect)，根據兩個不同導體接合處的溫度差而產生電壓。利用由系統內溫度變化而產生的電能，能夠運作供電好幾年，尤其是低功耗電路設計的系統，這種技術在回收熱量損失方面很有用，最新的技術發展將會利用人體熱量為穿戴裝置的健康感測器供電。
善用可行開發工具 評估能量產生/消耗
由於能量收集技術產生的能量很少，因此要保持系統中能量產生和能量消耗的平衡是非常重要的。設計工程師須要仔細評估能量需求並選擇相應的組件。根據不同的操作模式，如啟動模式、睡眠模式等，物聯網裝置的能量需求也會有所不同。設計過程中須要進行試驗或者會發生錯誤，有時候還必須進行詳細的實驗。因此，使用開發套件能夠幫助開發者進行早期實驗並完成系統的初始原型。
如今，投資物聯網技術的行業已經引用多種物聯網開發套件。使用行業標準工具以後，可以準確地計算、評估能量產生量和消耗量。例如賽普拉斯(Cypress)/Spansion推出基於網路的Easy DesignSim設計工具，讓所有用戶能夠輕鬆地計算並調查能量收集量(圖2)。
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| 圖2 能量收集入門套件，包含了針對最小能量消耗進行優化的原始無線協定，以及具備安謀國際(ARM) Cortex M3內核的FM3微控制器。 |
能量收集入門套件利用能量收集技術，簡化並加快無線感測器模組的開發進程。這款低功耗的無線協定能夠替代ZigBee或藍牙(Bluetooth)等低功耗無線協定。套件中的微控制器是基於Spansion ARM Cortex M3內核的FM3微控制器，能夠根據不同的ARM開發進行客製化(圖3)。
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| 圖3 利用能量收集技術驅動低功耗藍牙信標的入門 套件能夠與太陽能電池、壓電元件或其他傳統配件配套使用。 |
另一個能量收集入門套件能夠協助開發者利用能量收集技術建立低功耗藍牙信標。可以使用太陽能電池或壓電元件進行能量採集。此外，該套件可使用通用序列匯流排(USB)電源供電，並配有藍牙低功耗(BLE)轉換的無線模組(圖4)。
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| 圖4 物聯網開發入門套件可用於能量收集 |
能量儲存/電源管理癥結 提高換能器轉換效率
在設計物聯網裝置能量收集系統的過程中，開發者面臨的最大技術挑戰和操作挑戰就是要找到一個可行的能量儲存解決方案。最初的產品設計是為了從非充電電池中獲得的電力，因其成本低，而可用性和便利性高。然而，非充電電池的能量資源是有限的，並且須要定期更換。為了解決這個問題，製造商開始使用可充電電池作為主要的能量儲存。
如今，鎳鎘(NiCd)電池和鋰電池等可充電電池已應用於物聯網裝置中。儘管這類電池的使用非常方便，但擁有極高的放電率，每塊電池只可以充電放電大概五百次，限制了電池在物聯網應用中的長期應用。因此，尋找改進電池技術的解決方案，是設計工程師如今面臨的關鍵挑戰。
除此之外，設計師還必須克服提供能量收集裝置效率的主要缺點。用於將非傳統環境能量轉換成電能之換能器的轉換效率通常限制在10%。另外，用於儲存和轉化能量的電路會有能量損耗。加上所有損耗，產品只能獲得能量來源約1%的能量。因此，設計師須要進行非常仔細的分析和建模，從而透過能量收集和電路的功率需求來平衡可用能量。
本文簡要介紹了能量收集、能量儲存和電源管理解決方案的最新技術和發展趨勢。有了能量收集PMIC產品，嵌入式電子裝置的開發似乎變得更加簡單。在電源管理方面，有越來越多可行的供電技術，能夠為家用電器、穿戴裝置及電子產品等各種物聯網裝置供電。
在未來幾年裡，預估最具發展潛力的技術是為物聯網裝置供電的無線電力傳輸、熱電技術和太陽能收集技術。以後，將會看到更多為能量收集而設計的PMIC產品，以及低功耗微控制器，從而推動物聯網的前進發展。技術進步將貫穿於消費者、工業和醫療市場等垂直市場中，創造出超乎想像的新技術應用。
(本文作者任職於賽普拉斯)