续航困扰难解，能量采集技术突破有望实现设备无电池续航

电子发烧友网报道（文/李宁远）提高续航，是现在各种电子设备都在聚焦发展的方向。手机如何提高续航能力、可穿戴设备如何提高续航能力、电动汽车如何提高续航能力等等话题都围绕着减少电子设备功耗提高续航时间展开。
 
相较之下，对于功耗、续航时间要求最严苛的无疑是物联网设备。解决物联网设备的续航问题，甚至实现无需电池的永久续航成为当下的热门技术方向。
 
能量采集与无电池续航，减少物联网设备对电池的依赖
 
物联网终端市场的快速发展是有目共睹的，根据物联网分析机构IoT Analytics发布的数据，2021年全球物联网设备规模达到了122亿台，2022年全球物联网设备规模则在145亿台左右，预计到2025年全球物联网设备规模将达到270亿台。
 
数以百亿计的物联网设备，绝大多数都需要使用电池供电，如果能解决续航问题甚至实现无需电池的永久续航，其前景无疑是巨大的。
 
在这条技术方向上，想要实现超长续航和永久续航，离不开三个核心的创新技术——超低功耗射频技术、射频唤醒技术以及受控能量采集技术。超低功耗射频技术、射频唤醒技术用于降低设备功耗并控制低功耗模式。受控能量采集技术用于收集环境中的能量，是实现永久续航和无电池续航的关键。
 
超低功耗射频技术和射频唤醒技术很好理解，一个实现功耗的降低，一个用于精准控制设备休眠状态和唤醒状态，本质上都是从功耗着手尽可能做低。而受控能量采集技术，是相对更为创新的一项技术。
 
对于电子产品来说电源无疑就是所有“动力”的来源，很难想象没有电源的支持如何使设备内的芯片、器件正常工作，但这项技术想要实现的就是去外部电源化。简单来说，去外部电源化就是在没有外部电源的情况下，物联网设备依然能借助某种方式采集能量继续实现功能，该技术的应用能减少物联网设备对电池的依赖。
 
无电池续航中的三大核心技术
 
超低功耗射频是大家很熟悉的一项技术，在物联网设备里已经应用得相当广泛。一些平常生活中随处可见射频技术都在不断扩大其连接范围并提高续航时间，蓝牙肯定是其中别具代表性的一项技术。
 
专注于物联网超低功耗无线技术和能量采集的Atmosic就是选择了蓝牙技术作为突破口，基于蓝牙5.0技术继续提高其具体连接的范围以及续航的能力，将蓝牙的连接范围提升到Wi-Fi相对应的水平，功耗上则进一步做了优化，实现了5到10倍的功耗降低。另一家超低功耗射频技术厂商HaiLa则把突破口放在超低功耗Wi-Fi芯片上，运用了名叫反向散射通信的技术手段，目前也在推进商业化进程。
 
射频唤醒技术用于精确控制设备的休眠与唤醒，更精准的控制能够减少接收端射频处于接收状态的时间，尽可能让设备处于休眠模式以更低的设备整体功耗运行，前提是保证设备能正常接收。很多SoC中都有类似的功能，该功能也不断在被优化。
 
能量采集技术，不仅仅是为永久续航、无电池续航铺平道路，如果能在设备内部元件间去掉节点电流，整个电路结构会更紧凑、系统电路设计也会大大简化。以前在传感器应用中有一些类似的技术，在节点能量收集围绕振动、应变、温度和光来做文章。
 
但一般这种传统的环境能量采集通常面临电量微弱的特点，随着模拟半导体技术的进步越来越多的能量采集解决方案实现了更高效率的能量收集。
 
无电池续航与能量采集
 
超低功耗射频技术和射频唤醒技术的目标是为了尽可能降低功耗提高物联网设备续航时间，真正未来实现无电池续航的技术突破口还是在能量采集技术上。让物联网终端的网络节点无需外接“能量源”，采用获取环境能量进行供能才能彻底解决供电问题。
 
在无外部电源供电的情况下，摆在能量采集技术面前的有几大难题，其一能量的采集和环境状态是密切相关的，外部环境的变化会影响到环境能量的稳定性影响到能量的采集；其二采集到的能量能否有效储存起来满足设备运行的需求。因此高效地能量采集和管理技术是实现无电池续航的重点。
 
能量采集技术领域知名的Atmosic走的是射频能量采集路线，目前Atmosic的能量采集单元通过CMOS工艺集成到芯片上。为了在很低的环境能量状态下进行工作，该能量采集单元有极快的冷启动速度。
 
内部冷启动后，调节器开始在电压跨度可能极大的范围下工作。这种能量采集单元要能在μW到mW范围内对采集到的能量进行高效的转换，同时自身的工作损耗不能超过亚μW级，才能支持其电能自足的物联网设备节点。
 
为了避免采集射频能量时发生干扰，Atmosic在设计能源收集的时候特地选择了900MHz的不同频段，同时也可以采用新的频段的方式规避可能会产生的信号干扰。
 
国内厂商今年在能量采集芯片上也有进展，此前飞英思特科技正式公布旗下首款环境微能量采集与管理芯片，该款芯片是目前国内少有的能量采集与管理芯片，填补了市场空白。该芯片同样能以射频能、温差能、微光能、振动能等环境中常见能量为采集目标，高集成度让该芯片能利用冷启动、储能管理等模块高效利用采集到的能源为电路提供稳定的输出。
 
安世半导体去年收购了一家能量采集电源管理芯片Nowi，未来可能会有相关能量采集芯片问世。英集芯此前也表示将针对物联网领域会深耕低功耗和无线通信技术，推出能量采集芯片。
 
还有一条类似的技术路线，同样是能量采集，但是是NFC能量采集。NFC能量采集更准确的形容应该是NFC无线取电技术。它和上面这些是区别的，不能采集环境微能量，只能通过NFC射频获取能量，不过它同样可以实现物联网设备去外部电源化，但限制在于该物联网设备必须具有NFC接口且只能在NFC功能启用时获取射频能量。国内厂商启纬科技的TurboNFC技术在这条路线上很领先。
 
写在最后
 
在物联网设备数量大爆发的背后，是全球每年消耗的数十亿计的电池。而电池的供电方式，普遍存在续航短的问题，需要定期更换电池/充电才能维持设备运转。超低功耗技术一直都在升级，不断降低物联网设备的功耗，延长其续航时间，这一领域还会不断取得突破。
 
更令人期待的是未来能量采集技术的突破，该技术指引了新的物联网设备的发展方向。假以时日，高效能量采集和电源管理技术加持下的物联网设备实现无电池的永久续航可能不再是空想。