安世半导体Nexperia推出一种创新型电源管理集成电路(PMIC)

 

人们常提议利用环境能量采集技术为远程物联网设备的电池充电，但这种技术尚未普及。本博客探讨了导致这一情况的原因，并介绍了Nexperia（安世半导体）的创新型电源管理集成电路(PMIC)，该集成电路将从根本上提高能量采集的可行性，且环境效益显著。

对于许多远程物联网设备而言

更换电池无甚意义

 

包括物联网环境传感器、智能标签和电子货架标签在内，许多便携式或远程设备的用例最终都有一项成本必须由终端客户承担，主要原因是电池更换。

在拥有成百上千个传感器或 ESL 的大型系统中，适当更换、回收或处理耗尽的电池需要耗费大量的人力和物力。这对此类技术的采用产生了负面影响。因此，为了尽量减少更换电池的次数，用户别无选择，只能接受这些设备提供的较低性能水平。

例如，工厂或智能楼宇运营商可能会对传感器进行编程，使其每小时只提供一次环境温度读数，而不是更有规律地提供读数，从而最大限度地延长设备在睡眠模式下的时间，帮助最大限度地减少对电池的消耗。然而，在其他便携式应用中，牺牲性能不被接受，例如电视遥控器，在其使用期限内不可避免地需要多次更换电池。

此外，电池处置不当还会对环境造成严重影响。例如，欧盟欧洲统计局的数据（废物统计 - 回收的电池和蓄电池，2023年1月）显示，2020 年售出的便携式电池和蓄电池约为 22.9 万吨，而回收利用的仅有约 9.9 万吨。这些设备会产生大量有害废物，通常被丢弃在有害垃圾填埋场，对环境造成威胁。

由于固有缺陷

能量收集装置尚无法取得成功

通过能量采集技术收集环境能量并将其用于电子设备供电有望攻克这些限制。能量采集量大于消耗量的应用可以实现完全的能量自主，但到目前为止，有两个主要因素限制了其应用。首先，现有产品尺寸较大，材料成本高。这些产品使用 DC-DC 转换器，附带一个体积庞大且价格昂贵的电感器，然而，这样的设计存在问题，因为许多物联网设备的外形尺寸无法容纳电感式开关转换器。其次，由于环境能量的可变性（如光照强度的波动），这些解决方案需要复杂的定制才能达到最佳功率转换效率，也就意味着应用并非易事。

Nexperia的能量采集 PMIC

可将板面积缩小达 20 倍

图 1 显示的是 Nexperia 的 NEH2000BY 高性能 PMIC，它可以利用从环境中采集的能量为电池充电。该 PMIC 专门为光伏(PV)采集器进行了优化，但可以与符合其输入电压范围的任何其他采集器集成。针对特定应用，NEH2000BY 会采用自适应算法，以优化将采集的能量转移至电池的方式。这样，设计人员可以在不影响性能的前提下，开发出在使用寿命内无需更换电池的物联网设备。

这种独特设计的另一个显著优点在于，它仅使用了三个微小的外部电容器，而没有使用电感器。这大大简化了 PCB 设计，同时显著减小了板尺寸和 BOM 总成本——总组装面积仅为 12mm²。此外，这使得能量采集设计更加简单明了，尺寸较现有解决方案缩小 20 倍，而且无需针对个别应用进行手动优化。

图1. PV 能量采集应用中的 NEH2000BY PMIC

最大功率点跟踪算法

适合各种应用

为更大限度地提高转换效率，能量采集系统中使用的功率转换必须能够适应环境能量的波动。这意味着，日常采集的能量主要取决于系统找到最佳功率转换配置的速度。NEH2000BY 可自动运行，无需预先编程，并会执行最大功率点跟踪(MPPT)，以实现高达 80% 的最佳平均转换效率。这种独特的 MPPT 算法不仅速度快，而且精度高，让PMIC能够在 1 秒钟内适应环境变化。这比目前可用的任何解决方案都快得多，并可以大幅提高一天内采集到的能量，从而大大扩展了其应用领域。

环境效益显著

NEH2000BY 能够在功耗低至几微瓦的应用（包括无线物联网节点、可穿戴智能标签和电子货架标签）中，从各种环境源采集能量，以帮助节约成本。此外，那些应用将不再需要更换电池或者无需电池，从而可显著减少有害废物的产生，带来巨大的环境效益。NEH2000BY 采用 16 引脚 3 mm × 3 mm QFN 封装，工作温度范围为 -40℃ 至 +85℃，它有望彻底改变远程物联网设备的能量采集。

审核编辑：刘清