能量無處不在，能量采集和儲(chǔ)存技術(shù)其實(shí)也并不是很新。但隨著物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，越來越多的應(yīng)用會(huì)用到能量采集技術(shù)、能源管理系統(tǒng)和可充電電池，以便能夠在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中持續(xù)使用。很多公司都在投入開發(fā)能量收集芯片，產(chǎn)生了很多創(chuàng)新技術(shù)。目前能量采集都有哪些關(guān)鍵技術(shù)？市場(chǎng)發(fā)展近況如何？還有哪些技術(shù)難題需要克服？近期，ADI公司工業(yè)與能源事業(yè)部亞太區(qū)市場(chǎng)經(jīng)理張松剛先生接受《電子技術(shù)應(yīng)用》獨(dú)家采訪，對(duì)能量采集相關(guān)知識(shí)和市場(chǎng)情況進(jìn)行了詳細(xì)的剖析。

ADI公司工業(yè)與能源事業(yè)部亞太區(qū)市場(chǎng)經(jīng)理 張松剛

能量采集挑戰(zhàn)不少、勢(shì)頭正好

張松剛先生認(rèn)為，在這個(gè)細(xì)分領(lǐng)域中，遇到的問題是想要將收集到的能量真正排上用場(chǎng)，既需要解決芯片自身低功耗的問題，還要考慮如何大幅提高轉(zhuǎn)換效率，這對(duì)能量采集芯片設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。

如何管理與應(yīng)用微能量？必須積少成多地把它們收集并管理起來，這也涉及到能量存儲(chǔ)及減小漏電流的問題，需要有能連續(xù)存儲(chǔ)并極低漏電流的存儲(chǔ)器件，只有漏電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于收集的能量，這些采集來的能量才有可能會(huì)被用到；一旦這些采集到的能量集中管理起來后，可以被用來驅(qū)動(dòng)一些短暫或脈沖型的負(fù)載；對(duì)于那些連續(xù)工作的負(fù)載就牽扯到另一個(gè)問題，低功耗和超低功耗器件，只有這些超低功耗的器件的工作損耗與采集的能量及這些能量的管理達(dá)到平衡，微能量采集才能真正被廣泛應(yīng)用。另外被采集的能量都很微弱，能量收集的門檻必須很低。能量的存儲(chǔ)也是很關(guān)鍵的，目前大家采用的比較多的是可充電電池或超級(jí)電容，怎樣提高電池的充電次數(shù)、延長(zhǎng)電池的壽命以及減小超級(jí)電容的漏電都是要解決的關(guān)鍵問題。

隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用越來越廣泛，能量采集市場(chǎng)已經(jīng)呈現(xiàn)比較好的勢(shì)頭，但還沒到大規(guī)模啟動(dòng)的階段。張松剛先生認(rèn)為，前面提到的技術(shù)難題是一方面，另外物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用還沒有真正滲透到各行各業(yè)。智能樓宇、智慧城市及工業(yè)4.0的推動(dòng)會(huì)帶動(dòng)市場(chǎng)的大規(guī)模啟動(dòng)。

目前成熟的能量采集方案

在進(jìn)行能量采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)另外需要考慮的是不要只采用一種能量采集技術(shù)，而要在允許的條件下盡可能采用多種能量采集技術(shù)，以保證任何條件下都能正常工作。目前比較成熟的能量采集方案包括了利用太陽能取電及利用電流互感器飽和特性的取電兩種能量收集，另外溫差及振動(dòng)取能也開始有一些應(yīng)用。太陽能的能量采集技術(shù)可以在任何有光的場(chǎng)合進(jìn)行利用，而且該技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，接受度高，可以較快地被應(yīng)用到產(chǎn)品中。CT（電流互感器）取電由于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單很容易實(shí)現(xiàn)，已有比較成熟的方案，也有著成熟的市場(chǎng)，特別在電力應(yīng)用市場(chǎng)。當(dāng)然，在能量采集技術(shù)的發(fā)展和普及過程中依舊會(huì)存在很多的未知數(shù)和挑戰(zhàn)，但是隨著物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備以及其他新興市場(chǎng)的不斷發(fā)展，能量采集這一技術(shù)會(huì)被應(yīng)用在越來越廣泛的領(lǐng)域中。

ADI能量采集解決方案

針對(duì)能量采集芯片的挑戰(zhàn)，對(duì)于大幅提高轉(zhuǎn)換效率很多物理定律及相關(guān)材料問題，不是一個(gè)很容易解決的問題，大幅度降低芯片自身的功耗及管理好采集到的能量則相對(duì)比較容易實(shí)現(xiàn)。ADI目前推出了一系列基于太陽能的能量采集芯片--ADP5090/5091/5092，是一款非常好的解決方案。首先它具有極低的功耗（<300nA）并在很低的電壓（380mV）下即可啟動(dòng)工作；它可以管理采集到的微能量并給電池（鋰電池、薄膜電池、超級(jí)電容等）和電容充電，使之達(dá)到負(fù)載所需的工作電壓；內(nèi)置的LDO可提供穩(wěn)定的輸出電壓給MCU及內(nèi)部ADC參考源可靠工作，并可以支持突發(fā)性的射頻輸出；該芯片支持第二個(gè)后備電池，當(dāng)取電側(cè)沒有能量時(shí)自動(dòng)切換到后備電池上；對(duì)于如何提高太陽能電池輸出的轉(zhuǎn)換效率，該芯片特別設(shè)計(jì)了MPPT控制功能來保證對(duì)電池或超級(jí)電容的充電能一直工作在最大功率點(diǎn)上，只需要手表盤大小的太陽能電池板或很普通的CT即可工作。該芯片可以廣泛應(yīng)用于可見光照射下的任何便攜式設(shè)備、無供電電源的傳感器、無線發(fā)射模塊、可穿戴設(shè)備等多種應(yīng)用中。

應(yīng)用實(shí)例

張松剛先生介紹了一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，在新興的電力配電網(wǎng)自動(dòng)化熱潮中，架空型故障指示器是一個(gè)非常特殊的產(chǎn)品，它是懸掛在10KV電力線上、沒有任何外部供電裝置、并能長(zhǎng)時(shí)間工作的傳感設(shè)備。在國家電網(wǎng)的新要求中，電流互感器（CT）取電作為了主要的供電方式，并加入了更多的功能要求。針對(duì)這些新要求，ADI公司推出了采用能量采集芯片ADP5091的能源管理方案。它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流互感器的能量采集，對(duì)超級(jí)電容的充電管理并支持最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）用來提高充電效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)后續(xù)電路（包括MCU）的穩(wěn)定電源提供及后備電池的管理，并可以支持多種能量源的采集。該方案很好地實(shí)現(xiàn)了用一顆芯片管理所有的能量采集、充電及電源管理，并很好地滿足了該產(chǎn)品的技術(shù)要求。針對(duì)國家電網(wǎng)在2016年提出的新要求，ADI用該芯片實(shí)現(xiàn)了這些新要求帶來的變化，并且做到了成本和尺寸的優(yōu)化。同時(shí)，ADI也在考慮規(guī)劃下一代產(chǎn)品去改善性能及滿足更多的應(yīng)用的需求。這個(gè)方案可以很好地應(yīng)用在許多無電源供電的傳感器、測(cè)量單元及無線通訊模塊等大量電力應(yīng)用場(chǎng)合。該系列芯片無論是綜合性能、簡(jiǎn)單實(shí)用、性價(jià)比高等都具有很大優(yōu)勢(shì)。