微型能量收集技術(shù)無(wú)電池應(yīng)用方案

橋梁的安全監(jiān)控、零瓦待機(jī)、智能照明控制……等這些看似風(fēng)馬牛不相及的領(lǐng)域，今天，它們都將和一個(gè)概念--“微型能量收集（Energy Harvesting）”技術(shù)聯(lián)系在一起。微型能量收集技術(shù)雖然現(xiàn)在還沒(méi)有得到大規(guī)模商用，但已經(jīng)取得了重大技術(shù)突破，這為討論已久的“無(wú)電池”、“半永久續(xù)航”應(yīng)用的廣泛普及奠定了基礎(chǔ)。

富士通半導(dǎo)體最新推出的在微光條件下也可以實(shí)現(xiàn)97%轉(zhuǎn)換效率的光環(huán)境發(fā)電PMIC,并且此電源管理IC還可以實(shí)現(xiàn)低至0.35V的超低電壓?jiǎn)?dòng)。這些技術(shù)上的突破使得以往處于概念階段的“無(wú)電池”、“半永久”應(yīng)用場(chǎng)景即將成為現(xiàn)實(shí)，并且為綠色節(jié)能應(yīng)用提供了更廣闊的想象空間。

富士通半導(dǎo)體的新一代節(jié)能環(huán)保技術(shù)

市場(chǎng)現(xiàn)狀與趨勢(shì)

“事實(shí)上，微型能量收集并不是一個(gè)全新的概念，它之所以一直沒(méi)有被真正的廣泛應(yīng)用的最大原因是其能量收集端所能收集到的能量和其實(shí)際能夠推動(dòng)的能量消耗端所消耗的能量之間一直處于不平衡的狀態(tài)，簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)就是其收集的能量不夠用?？上驳氖请S著傳感器、MCU、RF等器件功耗的不斷降低，以及微型能量收集電源管理IC技術(shù)的突破，使得系統(tǒng)能量收支逐漸趨于平衡?！备皇客ò雽?dǎo)體市場(chǎng)部高級(jí)經(jīng)理王韻介紹說(shuō)。

而據(jù)日經(jīng)BP社的測(cè)算，這類應(yīng)用的能量收集和能量消耗情況在2010年和2011年階段的時(shí)候已經(jīng)非常接近，而2011年以后，他們認(rèn)為微型能量收集技術(shù)所能收集的能量已經(jīng)完全可以用于能量消耗的部分。

另?yè)?jù)美國(guó)Innovative Research and Products （iRAP）公司的調(diào)查顯示，到2014年，整個(gè)微型能量收集的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到12.54億美元。而從2009年開(kāi)始，其市場(chǎng)一直保持每年73%的高增長(zhǎng)率。

英國(guó)的IDTechEx公司也曾提供數(shù)據(jù)：“能量收集與能源類相關(guān)設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模將由2010年的4.4億美元增長(zhǎng)至2020年的6.05億美元”,微型能量收集技術(shù)將成為一個(gè)非常有潛力的市場(chǎng)。

將無(wú)電池應(yīng)用變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)

我們的生活圈中存在各種能量，如光、熱、無(wú)線電波和振動(dòng)等，如下圖1所示。這些能量以太陽(yáng)能、電磁、壓電等形式輸入能量收集電源管理IC（PMIC），用于能量收集。輸出功率可以用于傳感器、低功耗MCU或存儲(chǔ)在存儲(chǔ)元件中，如雙電層電容和全固態(tài)二次電池。

圖1: 能量收集系統(tǒng)配置。

富士通半導(dǎo)體及合作伙伴們一直在設(shè)想有哪些應(yīng)用方案可以使這些生活中隨處可見(jiàn)的能源被收集起來(lái)。王韻例舉了幾種非常有意思的能量收集應(yīng)用。如下圖2所示，這些應(yīng)用包括：無(wú)需鑰匙就能打開(kāi)車門、水管理系統(tǒng)、無(wú)電池遙控、自定位系統(tǒng)等。

圖2: 微型能量收集技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的無(wú)電池應(yīng)用例子。

日常生活中，這些應(yīng)用如果使用電池，就需要手動(dòng)更換電池。電池確實(shí)是非常便宜，但是很多情況下對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的電池進(jìn)行更換的費(fèi)用往往代價(jià)昂貴，而且廢舊電池屬于污染物。那么，此時(shí)能量收集方案就是解決方案。

“對(duì)于微型能量收集的無(wú)電池應(yīng)用（batteryless），富士通半導(dǎo)體關(guān)注的重要領(lǐng)域之一就是在物聯(lián)網(wǎng)即所謂的傳感器網(wǎng)絡(luò)（sensor network）的應(yīng)用，幫助這類系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)（sensor node）以及用于通信的RF模塊實(shí)現(xiàn)半永久的供電?！?王韻進(jìn)一步指出。

下圖3的三角形顯示了微型能量收集的無(wú)電池應(yīng)用在云業(yè)務(wù)中的3個(gè)層級(jí)，可以看到三角形的底層即是我們所講的傳感器節(jié)點(diǎn)，在中間層是一些網(wǎng)關(guān)，而這個(gè)三角形的頂部是云業(yè)務(wù)。

圖3:為什么需要無(wú)電池解決方案？

“在這個(gè)系統(tǒng)中需要數(shù)量龐大的傳感器節(jié)點(diǎn)，并且對(duì)其中的每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都要求能夠自由維護(hù)，并可以安裝在任何地方。這就決定了必須是無(wú)電池的解決方案。”王韻解釋道。

橋梁安全監(jiān)控等“半永久”傳感器網(wǎng)絡(luò)

文章開(kāi)頭提及的橋梁安全監(jiān)控也是傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)實(shí)例。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，最近五年內(nèi)中國(guó)倒塌的橋梁總共達(dá)有三十七座之多。其實(shí)不光是在中國(guó)，在美國(guó)、日本、歐洲，很多橋梁因?yàn)榻ㄔ斓膯?wèn)題，因?yàn)榈刭|(zhì)變動(dòng)的問(wèn)題，因?yàn)槔闲嗷膯?wèn)題，多多少少都會(huì)存在一定的危險(xiǎn)性。

橋梁的安全性問(wèn)題迫使人們不得不對(duì)橋梁進(jìn)行定期的或?qū)崟r(shí)的監(jiān)控。而現(xiàn)在能夠?qū)蛄哼M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的方式之一就是將傳感器安放在橋梁上。但是新的問(wèn)題又出現(xiàn)了，因?yàn)樵跇蛄荷喜茧娫淳€是非常不方便的，傳感器必須實(shí)現(xiàn)無(wú)線，按照現(xiàn)在的方式只能在傳感器內(nèi)部放一顆電池，可是放電池又遇到一個(gè)問(wèn)題，即當(dāng)電池電量耗完后，必須有人到橋梁可能人都沒(méi)辦法爬進(jìn)去的地方去換電池，這就逼迫大家必須考慮將環(huán)境能量收集過(guò)來(lái)實(shí)現(xiàn)“半永久”工作的傳感器網(wǎng)絡(luò)。

王韻認(rèn)為，除了橋梁的安全監(jiān)控，能量收集技術(shù)在中國(guó)應(yīng)用最多的還將體現(xiàn)在其它一些基礎(chǔ)設(shè)施或建筑物上面，如下圖4所示，大樓、地下管道、大壩、工廠設(shè)備的安全監(jiān)控等都可以通過(guò)這種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的方式實(shí)現(xiàn)。

圖4:微型能量收集技術(shù)用于基礎(chǔ)設(shè)施中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

幫助實(shí)現(xiàn)“零瓦”待機(jī)這一新賣點(diǎn)

現(xiàn)在消費(fèi)者對(duì)節(jié)能的要求越來(lái)越高，特別是崇尚綠色生活的歐洲用戶，非常厭惡使用電池的應(yīng)用。因此在家用電器方面，很多廠商都在努力實(shí)現(xiàn)0W待機(jī)，以獲得一個(gè)新的賣點(diǎn)和產(chǎn)品差異化特性。如機(jī)頂盒待機(jī)是從20W到10W到5W,到目前實(shí)現(xiàn)1W待機(jī)，以后要實(shí)現(xiàn)0W待機(jī)，但是0W待機(jī)在物理上是有限制的，要跨過(guò)這一步就必須采用微型能量收集技術(shù)來(lái)幫助實(shí)現(xiàn)，這是市場(chǎng)應(yīng)用的機(jī)會(huì)所在。

富士通半導(dǎo)體本次展示的一款PMIC就屬于微光太陽(yáng)能采集芯片，能幫助實(shí)現(xiàn)0W待機(jī)。如在機(jī)頂盒或電視機(jī)上加上小小的一片太陽(yáng)能電池板，幫助收集室內(nèi)的微弱光照，讓一顆MCU維持待機(jī)的功能，另外的主系統(tǒng)就真正實(shí)現(xiàn)關(guān)閉，這樣就真正實(shí)現(xiàn)了0W待機(jī)?！岸郧暗碾娨晱S商都是通過(guò)電池來(lái)實(shí)現(xiàn)待機(jī)的，現(xiàn)在我們用太陽(yáng)能電池板替換了電池的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了無(wú)污染的零瓦待機(jī)?！蓖蹴嵳f(shuō)。

用于智能照明控制，大幅降低樓宇耗電

“通常，我們會(huì)下意識(shí)的認(rèn)為大樓里面能耗最大的是空調(diào)，冷氣或暖氣系統(tǒng)，但當(dāng)我們進(jìn)行調(diào)查研究后，得出的結(jié)論竟然是樓宇里的照明才是耗電最大的部分。所以要降低整個(gè)大樓的能耗，就要首先從照明系統(tǒng)開(kāi)始。”王韻介紹說(shuō)。

圖5. 用于樓宇智能控制的“無(wú)線遙控器+LED照明”方案。

富士通半導(dǎo)體現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了這方面的參考設(shè)計(jì)方案，如上圖5所示的“無(wú)線遙控器+LED照明”方案。圖中遙控器的供電是用無(wú)電池的方式實(shí)現(xiàn)，通過(guò)它可以控制照明，然后這個(gè)遙控器上又有一些光的傳感器，通過(guò)這些傳感器對(duì)外面亮度的感應(yīng)，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)燈的亮暗、開(kāi)關(guān)。把這種應(yīng)用用到整個(gè)大樓，即當(dāng)把這個(gè)遙控器放在整個(gè)大樓的任何一個(gè)地方都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)這一片區(qū)域燈光的控制?！安捎眠@種智能方式對(duì)降低大樓的能耗是非常有效的?！蓖蹴嵄硎尽?/P>

兩項(xiàng)突破：0.35V超低電壓?jiǎn)?dòng)支持微光太陽(yáng)能以及可同時(shí)收集太陽(yáng)能和震動(dòng)能的雙模供電

現(xiàn)在讓我們回到富士通半導(dǎo)體的技術(shù)和產(chǎn)品本身，看看富士通半導(dǎo)體的環(huán)境發(fā)電PMIC有著怎樣獨(dú)特的性能及其意義所在。如下圖6所示，富士通半導(dǎo)體最新推出的兩款能量收集PMIC分別是用來(lái)進(jìn)行太陽(yáng)能電源管理/振動(dòng)能量控制的超低功耗電路，以及支持太陽(yáng)能超低輸入電壓的升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器。

圖6:富士通半導(dǎo)體最新推出了兩款環(huán)境發(fā)電PMIC.

用于光環(huán)境發(fā)電PMIC的太陽(yáng)能超低電壓升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器是通過(guò)富士通半導(dǎo)體最新技術(shù)研發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)低至0.35V的超低電壓的啟動(dòng)。也就是在只有0.35V電壓輸入的時(shí)候，IC就可以開(kāi)始工作，就可以升壓，給電池充電。例如以前某品牌推出過(guò)一款太陽(yáng)能的手機(jī)，但這種手機(jī)的應(yīng)用非常不方便，因?yàn)橹挥性趶?qiáng)光下才能給手機(jī)充電，但是不會(huì)有人把手機(jī)放到太陽(yáng)光下去曬。而富士通半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)出了在微光條件下也可以實(shí)現(xiàn)97%轉(zhuǎn)換效率的光環(huán)境發(fā)電PMIC,這樣在微弱的光的條件下，也可以實(shí)現(xiàn)充電?！笆褂玫沫h(huán)境就完全變化了，從室外搬到室內(nèi)。這對(duì)客戶的實(shí)際應(yīng)用就有意義了。”王韻指出。

另外特別值得一提的是，這款芯片可以同時(shí)支持太陽(yáng)能和震動(dòng)的雙重模式。在太陽(yáng)能供電不足或無(wú)光照條件下時(shí)，可以以震動(dòng)作為能量來(lái)源，彌補(bǔ)了現(xiàn)有市場(chǎng)上同類產(chǎn)品無(wú)法同時(shí)收集2種能量來(lái)源的缺陷。

“富士通半導(dǎo)體非常期待最大限度的利用科學(xué)和自身的技術(shù)發(fā)展為能源再利用做出貢獻(xiàn)。除了上述所舉的橋梁、家電、照明控制等例子，任何用到電池的地方，我們都可以考慮用這種方式替換掉電池?！蓖蹴嵄硎?，“富士通半導(dǎo)體希望與業(yè)內(nèi)企業(yè)合作，開(kāi)發(fā)出更多更好的微型能量收集技術(shù)應(yīng)用方案，使我們的生活更加便利和節(jié)能。”