收集能源为物联网设备提供动力

实现所谓的零功率传感器将需要从环境中的资源中获取能量。在将一个人的选择范围缩小到可用资源之后，下一个标准将是可用能源的数量和所需的能源数量。太阳能和风能收集可为大功率解决方案提供坚实的基础。热量通常作为来自发动机、机器和其他来源的废物副产品很容易获得。热梯度收集是捕获环境热量并将其投入使用的过程。在利用环境现象获取能量的众多方法中，使用压电设备将振动转换为电能似乎特别有效，根据尺寸和结构，能够产生数百微瓦 (µW/cm2)。

热梯度

通过温度梯度收集能量是使用热电和热电解决方案完成的。热电体的使用受到限制，因为它需要可变的温度输入，而其他方法可以提供数十万小时的不间断运行，但效率低下。热电解决方案由 Peltier 电池实现。

“热电材料的例子有碲化铋、碲化铅、三锑化钴和硅锗，这些都可以提供良好的性能，”Applied Thermoelectric Solutions 的创始人兼首席技术官 Alfred Piggott 说。“使用这些材料，热电发电机可以在设计合理的热电发电机的理想应用中实现高达 9% 至 11% 的效率。哪种材料最好取决于许多考虑因素，但主要取决于热电发电机的应用、预算和设计。”

理想的热电材料应具有低热导率、高电导率和高塞贝克系数。用于能量收集的热电效应归功于 Thomas Johann Seebeck。在热电装置中，当不同温度结合时会产生电压。同样，施加电压时也会产生温差。材料或器件在单位温度下产生电压的能力称为塞贝克效应。

通常用于创建 p 和 n 区域的材料(碲化铋，或 Bi2Te3)可实现每个电池 0.2 mV/K 的输出电压，而如果热电转换器使用多个 p 和 n 对(使用 10 个电池为 20 mV)，则可以获得更高的值在 ΔT = 10K)。源的等效模型由带 RT 输出电阻的戴维宁发生器表示，可以提供给负载的最大功率通过电阻阻抗适配 Rload = RT 获得。

两点之间的温差导致热能从最高温度点流向最低温度点。热量将一直流动，直到达到热平衡，并可用于收集可重复使用的能量。从热交换中提取能量的过程受热力学定律支配。

电源管理 IC

温差可用于发电。太阳能热和地热系统产生的废热，甚至家用电器的排放流都可以被收集起来。

假设我们使用电池供电的无线物联网设备，这些设备在人体、烤箱和电机产生热梯度的环境中运行。如果没有能量收集，此类设备的电池需要更换，因为它们会释放能量。这会产生运营成本。根据可用的温度梯度，热电发电机 (TEG) 可产生 20 µW/cm² 至 10 mW/cm² 的功率。TEG 和压电传感器与 PMIC 相结合可以为物联网设备中的电池充电。

图 ：MAX17710 的简化工作电路(图片：Maxim Integrated)

热电能量收集系统的设计考虑因素“包括电气和热能要求、热电材料、特定应用的考虑因素、耐用性目标、销售价格和工程预算，”皮戈特说。振动是一种无处不在的能源。路上的每辆车都会在沥青路面和驾驶室中产生振动。鉴于世界高速公路上的汽车数量，从振动中获取能量的吸引力是显而易见的。

Maxim Integrated 的 MAX17710 PMIC 是一个完整的系统，用于对微功率存储电池进行充电和保护，并且可以管理调节不佳的电源，例如输出电平范围为 1 µW 至 100 mW 的能量收集设备。

e-peas 的 AEM30940 集成能源管理子系统从 TEG、压电发电机、微型涡轮发电机或高频射频输入中提取直流电，同时将能量存储在可充电元件中，并为系统提供两个独立的稳压电压。PMIC 集成了一个超低功率升压转换器，可为锂离子电池、薄膜电池或超级电容器或传统电容器等存储元件充电。它可以在输入电压低至 380 mV 且输入功率仅为 3 μW 的情况下以空存储元件开始运行(图 4)。

图 ：AEM30940 的典型应用电路(图片：e-peas)

图 所示的 LTC3588-1 集成电路提供了一个完整的能量存储解决方案，该解决方案针对压电传感器等高阻抗发生器进行了优化。Analog Devices 电路具有一个低损耗全波整流器和一个高效同步降压转换器，可将输入端存储设备的能量传输到能够为高达 100 mA 的负载供电的稳压输出端。它采用 3 × 3-mm DFN 或 10 导体 MSE 封装。

图 ：完整的能量存储解决方案，针对压电传感器等高阻抗发生器进行了优化(图片：Analog Devices)

为了有效地设计完全自主的无线传感器系统，您需要低功耗微控制器和传感器，在低能耗环境中消耗最少的电量。此类系统的电源解决方案可能包括存储传感器本身的本地环境中可用的机械能、热能或电磁能。

超级电容器是能量收集的技术先决条件。它们具有电解电容器和可充电电池的功能特性，但每单位体积或质量可存储比电解电容器多 10 至 100 倍的能量。与典型的可充电电池相比，它们可以以更高的速度积累电荷，并能承受更多的充放电循环。

审核编辑：汤梓红