智能IoT装置功率需求不大？能量采集够用吗

智慧型IoT装置市场正出现爆炸性成长，并衍生出健身、医疗、军事和工业应用领域的多种产品。尽管为小电流的IoT/穿戴式装置供电极具挑战性，透过先进的电源转换IC，可让低功率级实现高性能。

在功率范围的低端，存在能量采集系统的毫微功率(nanopower)转换需求，例如物联网(IoT)装置中常见的能量采集系统。在此类系统中，必须使用能够处理非常低功率与电流的电源转换IC。这些功率和电流可能分别低至数十微瓦(mW)和毫微安(nA)。

最新和现成的能量采集(EH)技术，例如振动能量采集产品以及室内或穿戴式太阳光电(PV)电池，在典型作业条件下产生mW级的功率。尽管这一量级的功率或许看似有限，但像无线感测器节点(WSN)等能量采集元件在若干年内持续工作，可能意味着，无论是所提供的能量还是单位能量成本，能量采集产品大致上相当于寿命较长的主电池。

虽然主电池声称能够提供长达10年的寿命，但这在极大程度上取决于从其而来的功率级以及汲取功率的频率。拥有能量采集能力的系统一般能够在电量耗尽后再充电，而仅由主电池供电的系统却做不到这一点。不过，大多数的建置方案都将使用某种环境能量来源作为主电源，而用主电池作为环境能源的补充，当环境能量源消失或中断时切换至主电池。这可被认为是一种"电池寿命延长器"的功能，可为系统提供很长的工作寿命——这接近于电池的工作寿命，对于锂亚硫醯氯(Li-SOCI2)化学电池来说通常约为12年。

当然，能量采集电源所提供的能量取决于该电源能工作多长的时间。因此，能量采集电源的主要比较指标是功率密度，而不是能量密度。能量采集的可用功率通常很低、可变，而且是不可预测的，所以常常使用连接至采集器和辅助电源的混合结构。辅助电源可能是一块可再充电电池或是一个储存电容器。采集器由于能量供应无限以及功率不足，因而成为系统的能量源。辅助电力储存库(不是电池就是电容器)产生较大的输出功率，但储存较少的能量，在需要时供电，而在其他情况下则定期从能量采集器接收电荷。因此，在没有环境能量可供采集时，辅助电力储存器可用来为下游电子系统或WSN供电。

IoT驱动需求
支援IoT的无线感测器不断迅速增加，提高了专为较低功率无线装置量身订制的小型、精巧和高效率电源转换器需求。最近在物联网领域出现的新兴市场之一，就是穿戴式电子产品市场，从能量采集的角度来看，这个市场尤其令人感兴趣。虽然仍处于萌芽期，但是该市场包括了诸如FitBit、Google Glass和Apple Watch智慧手表等产品。当然，可穿戴技术不仅因应人类需求，还有许多应用也适于动物。近期出现的例子包括超音波斑块治疗、针对马匹的电子马鞍优化，以及为其他动物提供能进行追踪、辨识与诊断等任务的颈圈。

不管是何种应用，此类装置大多需要一个电池作为主电源。然而，对于因应人类需求的应用，似乎不久就会出现可利用太阳能产生电力的材料。您可以把这种材料做成的衣服想像成"电力"套装。在这一研发领域处于前锋的一家公司正在实施欧盟(EU)资助的计划Dephotex，开发出轻量且软性的穿戴式PV材料。很自然地，这种材料本身会将光子转换成电能，然后让使用者穿戴后用于为各种电子装置供电，或者为这些装置的主电池充电，甚至两种功能兼而有之。

IoT的一个明显应用是健康监测，不管是针对医院的病患或是十分重视健康的个人。生物统计资料是衡量人体基本机能的重要资讯，包括体温、脉搏/心率、呼吸速率和血压。这些资料至关重要，因为这些生命征象如果出现不良的变化，或许表示健康状况下降，反之亦然。为了测量这些生物统计资料，医院和诊所中当然配备了齐全、昂贵的装置。不过，想像一下，假如不必去医疗院所就能有效地测量此类生物统计资料，而且不用花费太多，那么能为人们的生活品质带来多大的改善呢？例如在家中或工作场所，可以按照即时健康情况随时地调整生活和行为方式，从而改善健康水准并可能延长甚至挽救生命。

另一个例子也许是使用外骨骼以协助提高截瘫患者的可动性，如图1所示。幸运的是，装置成本大幅降低，以及先进的感测器技术不断进步，使得智慧医疗和健康穿戴式装置得以持续快速增加。这类穿戴式装置包括较简单并可佩戴在身上的‘单一生命征象’测量产品，也包括较复杂和到处都是感测器的人体外骨骼装置。不过，从电源转换IC的角度来看，划分这些穿戴式装置的组成以及为这些装置高效供电也不是什么容易的事。

那么，典型的智慧穿戴式装置运作靠什么驱动呢？可以把它想像成一个微型嵌入式系统。准确地划分其组成显然取决于装置本身；不过，一般来说，智慧穿戴装置的核心架构包括下列部份：
微处理器、微控制器或类似的IC

微机电感测器(MEMS)

小型机械致动器

全球定位系统(GPS)IC

蓝牙/蜂巢式/Wi-Fi连接，以进行资料的采集/处理和同步

成像电子元件、LED

运算资源

可再充电电池或主(不可再充电)电池或电池组

支援性电子元件

因此，穿戴式装置的主要设计目标显然是精巧外形尺寸、重量很轻，以实现可穿戴性和舒适感，并拥有超低能耗以延长电池执行时间/寿命。

实用型电源转换解决方案
为了因应小电流穿戴式装置供电带来的挑战，凌力尔特科技(Linear Technology)提供了一系列的先进产品，这些电源转换IC拥有可在IoT中实现低功率能量采集所需的特色和性能。例如高整合度的DC/DC转换器LTC3107，透过采集和管理来自极低输入电压电源(例如热电发电机[TEG]和热电堆)的多余能量，延长了低功率无线系统中主电池的寿命。

当采用LTC3107时，一个负载点能量采集器所需的空间极小，只要足以容纳LTC3107的3mm x 3mm DFN封装和少量外部元件即可。透过产生一个追踪现有主电池电压的输出电压，可无缝地采用LTC3107，为新的和现有的电池供电型设计导入免费热能采集的成本节省。此外，LTC3107还能搭配小型热能量源，共同延长电池寿命(有些情况下可长达电池的保质期)，从而降低了因更换电池所需的经常性维护成本。LTC3107专为电池提供补充甚至完全为负载供电而设计，它取决于负载情况以及可用的采集能量。

另一个例子是LTC3331，这是一款完整的能量采集调节解决方案，当采集能量可用时，可提供高达50mA的连续输出电流以延长电池寿命。当从采集的能量为负载提供稳定功率时，该元件就不需要由电池提供电流，而在无负载情况下以电池供电时，仅需要950nA的作业电流。LTC3331整合了高电压的能量采集电源和一个同步升降压DC/DC转换器(该转换器由可再充电主电池供电)，而为WSN和IoT装置等能量采集应用提供不间断的输出。 20160510 Linear

LTC3331的能量采集电源由适合AC或DC输入的全波桥式整流器和高效率的同步降压型转换器组成，从压电(AC)、太阳能(DC)或磁性元件(AC)能源采集能量。10mA分路器以采集的能量实现简便的电池充电，而低电量电池断接功能则保护电池免于深度放电。可再充电电池为作业于1.8V-5.5V输入范围的同步升降压转换器供电，在无采集能量可用时用于调节输出，而无论输入高于、低于或等于输出。在处理微功率电源时，LTC3331电池充电器拥有非常重要且不容忽视的电源管理功能。

LTC3331加入了电池充电器的逻辑控制功能，使其仅在能量采集电源有多余的能量时才为电池充电。如果少了这种逻辑控制功能，能量采集电源就会在启动时卡在某个非最佳工作点，而无法完成启动而为目标应用供电。当采集的能源不可用时，LTC3331便会自动转换到电池。这带来了一个额外的好处是，如果适合的能量采集电源至少在一半的时间内可用，那么以电池供电的WSN可使其工作寿命从10年延长至20年以上，甚至如果能量采集能源更普遍存在的话，寿命还会更长。

最后，毫微功率升降压DC/DC转换器LTC3335是一款高效率、低静态电流(680nA)的转换器，主要瞄准WSN和通用的能量采集应用。其整合的库仑计数器可监测长效电池供电应用的电池累计放电量。该计数器将电池的累计放电量储存在内部暂存器中，并可透过I2C介面存取。升降压转换器可在其输入端电压降低至1.8V时作业，并以高达50mA的输出电流提供8接脚的可选输出电压。为了适应多种类型和尺寸的电池，峰值输入电流的选择范围可以从低至5mA到高达250mA，而全尺度库仑计数器具有32,768:1的可程式设计范围。

结语
智慧型IoT穿戴式装置市场近年来已出现爆炸性成长，而衍生了因应健康与健身、医疗、资讯娱乐、军事和工业应用领域的多种产品。包括使用感测器的医疗保健穿戴式装置等新一波产品可监测关键的生物统计资讯，例如在医疗院所以外测量心率和血压，从而为更加积极、健康的生活方式创造了机会。智慧穿戴式装置的核心架构取决于产品类型，但基本上由一个微控制器、MEMS感测器、无线连接电路、电池和支援性电子元件组成。

同样地，针对提升建筑物能源效率以及为工业机械和桥梁的系统健全状况监测应用中，WSN的能量采集技术应用迅速增加，同时也是低功率转换解决方案的主要推动因素之一。尽管为小电流穿戴式装置供电非常具有挑战性，透过先进的电源转换IC，可望为低功率级实现非常高的性能。