超低功耗 MCU 的能量收集如何消除电池

 

效率在本质上至关重要。通过尽可能多地使用它来最大化额外资源的支出可以提高性能，可以最小化成本并减少浪费。能量收集提供了一种使用环境能量为电气设备供电的方法。对于包含电池的设备，能量收集可以延长电池的使用寿命或完全替代电池的能量贡献。

超低功耗 (ULP) MCU 是能量收集的合理选择。这些设备存在于可穿戴技术、无线传感器和其他需要延长电池寿命的边缘应用中。回顾能量收集在实践中的工作原理有助于了解能量收集如何支持 ULP MCU 的价值。

能量收集的工作原理

原则上，能量收集是一个简单的概念。要解决的问题是主要能源（电池、燃料、电网）是有限的。此外，将此源功率转换为可用能量并非 100% 有效，尽管有永久的环境能量可供捕获。这就是为什么风力涡轮机是一种可再生的大型能源。涡轮机从风中接收势能，使叶片围绕转子旋转，转子与发电机相连产生电能。其他大规模环境能源包括太阳能、海浪和地热。

可穿戴设备和无线传感器等较小规模的技术可以收集动能、热能或环境电磁辐射能。这些形式中的每一种都使用不同的机制将源功率转换为可用能量。每个来源的效用和实用性都是一个重要的考虑因素，因为应用可能会限制能量转换所需设备的尺寸和质量。

热辐射对无线传感器应用很有用，因为传感器的设计和放置利用了两种形式的能源。在车辆上，靠近道路的传感器可以接受来自柏油路的辐射热。相比之下，其他人可以利用来自高振动位置的运动能量，例如靠近车轮或发动机部件。对于超低功耗 MCU，从人类用户的运动中回收的动能是目前最实用的能量转换形式。

超低功耗 MCU 的机遇

由于 ULP MCU 的主要应用是可穿戴技术，因此以最低的系统功耗处理这些边缘数据至关重要。能量收集减少了对可穿戴技术电池的能量需求，电池含有有限的能量，需要在电量耗尽后定期充电或更换。电池在处置方面也存在挑战，因为电池组成材料不易回收。ULP MCU 能量收集器通过压电、电磁或摩擦发电机捕获动能（机械）。

压电式

“压电”一词源自希腊语，意为挤压或挤压。动能压缩压电材料，产生电场。工程师根据预期的机械负载和电场密度选择材料，并平衡其功率贡献潜力与材料特性，这些特性会在电场存在时使材料变形。这些相互竞争的因素使设计人员能够优化能量收集器对反复增加主电池功率的贡献。一些估计表明，平均而言，动态运动可为 ULP MCU 的主电源增加 10mW。

电磁辐射

另一种用于小型 MCU 的能量收集技术是电磁辐射。无线电、红外线、紫外线和微波通过空气携带辐射能。环境电磁波使磁场中的结构振动，通过有意大小的磁铁和气隙设计将机械振动能转换为电能。这种方法为系统贡献了大约0.3mW的收集功率。

摩擦纳米发电机

ULP MCU 的最终转换介质是摩擦纳米发电机 (TENG)。该技术将[不同]材料应用于承受机械运动（如旋转、振动、摆动和膨胀/收缩）摩擦的表面。电极支撑这些材料，回收由材料摩擦产生的电荷不平衡（静电）产生的能量。这种方法提供的补充功率比压电低 10 倍，即大约1-1.5mW。

带走

可穿戴技术和无线传感器网络，超低功耗 MCU 的日常应用，消耗的功率大约为数十毫瓦。锂离子电池是在合适的时间内提供电力的绝佳选择。然而，寒冷天气的敏感性和用户对延长电池寿命的需求推动了当前技术的极限。通过压电、电磁辐射和摩擦电源收集机械能，可提供高达 10% 的辅助电池寿命。优化电阻和电流负载技术，对该技术的持续改进最终可能会消除 ULP MCU 设备中对电池的需求。这是一场微型电池开发与增强动力之间的竞赛，无论哪种方式，消费者都有望获胜。

审核编辑 黄昊宇